Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2012 №1

Начинаем работать с Ethernet-контроллерами W7100A компании WIZnet

Долгушин Сергей


Статья посвящена Ethernet-контроллерам W7100A и W7100A-64QFN компании WIZnet. Эти контроллеры, на наш взгляд, незаслуженно обойдены вниманием российских разработчиков, хотя существует множество приложений, где они с успехом могут быть востребованы.

Основная продукция южнокорейской компании WIZnet, куда входят интегральные микросхемы сетевых контроллеров или аппаратных Ethernet-мостов W5300, W5200, W5100 и W3150A+, хорошо знакома отечественным разработчикам. Ethernet-мосты представляют собой функционально законченные решения для встраиваемых приложений, где требуется наличие канала Ethernet. Эти микросхемы аппаратно реализуют протоколы транспортного, сетевого и канального уровней системы OSI (Open System Interconnection): TCP, UDP, IPv4, ICMP, ARP, IGMP и MAC, а также обеспечивают аппаратную поддержку протокола PPPoE (Point-to-point over Ethernet) с PAP/CHAP протоколами аутентификации. Микросхемы W5300, W5200 и W5100 имеют встроенный в кристалл узел, который реализует физический уровень Ethernet [1].

Все перечисленные микросхемы работают под управлением внешнего микроконтроллера по параллельному или последовательному (SPI) интерфейсам. А что если в разрабатываемом устройстве есть только интерфейс UART или ресурсов управляющего микроконтроллера (ограниченные производительность, память и т. п.) недостаточно для работы с аппаратным мостом? В этом случае поможет Ethernet-контроллер W7100A.

Микросхема W7100A объединяет на одном кристалле аппаратный блок Ethernet-моста со встроенными уровнями MAC и PHY, а также MSC-51 совместимое процессорное ядро (рис. 1). Ethernet-блок этого контроллера аналогичен по характеристикам микросхеме W5300. Он поддерживает те же протоколы и обеспечивает до восьми соединений на аппаратном уровне.

 Блок-схема Ethernet-контроллера W7100A

Рис. 1. Блок-схема Ethernet-контроллера W7100A

Ethernet-контроллеры W7100A производятся в двух корпусах — LQFP-100 и QFN-64. Микросхемы, выполненные в 64-выводном корпусе, имеют несколько отличий:

  • Режим работы (auto-negotiation) физического уровня задается только программным путем (для 100-выводного корпуса — программным и аппаратным).
  • Доступно 19 линий ввода/вывода общего назначения (для 100-выводного доступно 32 линии).
  • Отсутствует возможность подключения внешней памяти.
  • Отсутствуют сигналы управления таймерами.
  • Доступны только два сигнала, индицирующие состояние линии Ethernet: связь установлена (Link) и скорость (низкий уровень — 10 Мбайт, высокий — 100 Мбайт).
  • Доступна одна линия внешнего прерывания (для 100-выводного — четыре линии).

Для программирования и отладки в Ethernet-контроллерах W7100A предусмотрен специализированный отладочный узел (Debug). Программирование и отладка контроллера в данном случае осуществляется с помощью внутрисхемного отладчика iMCU7100 Debugger (рис. 2) по трехпроводному интерфейсу. Также предусмотрена возможность программирования микросхем W7100А по интерфейсу UART. Этот режим активируется переводом вывода W7100A BOOTEN в высокое состояние.

 Внутрисхемный отладчик iMCU7100 Debugger

Рис. 2. Внутрисхемный отладчик iMCU7100 Debugger

Для тестирования, разработки и отладки приложений на базе контроллеров W7100A компания WIZnet предлагает набор iMCU7100 EVB (рис. 3). В состав этого набора входят сама отладочная плата на базе контроллера W7100A, кабели Ethernet и COM, адаптер питания и символьный дисплей (16 символов × 2 строки).

 Отладочный набор iMCU7100 EVB

Рис. 3. Отладочный набор iMCU7100 EVB

Также на базе этой микросхемы выпускаются готовые модули Wiz220IO и Wiz107SR. Они могут быть использованы как готовые или отладочные устройства.

Модуль Wiz220IO (рис. 4) и отладочный набор на его базе Wiz220IO-EVB демонстрируют возможности микросхемы W7100A по реализации веб-сервера. При использовании фирменного ПО (firmware), которое изначально «прошито» в Ethernet-контроллер W7100A, могут быть реализованы следующие функции: управление устройствами по восьми дискретным цифровым выходам и восьми входам; работа с двумя источниками аналогового сигнала (например, датчиками давления) в диапазоне от 0 до 5 В; цифро-аналоговое преобразование по двум линиям в диапазоне от 0 до 4 В; прием и передача данных по интерфейсу UART.

 Модуль Wiz220IO

Рис. 4. Модуль Wiz220IO

Управление модулем осуществляется через веб-интерфейс, что избавляет разработчика от необходимости написания ПО верхнего уровня и обеспечивает совместимость с различными ОС. На рис. 5 приведена одна из веб-страниц, с помощью которой осуществляется управление выходными линиями модуля и передача текстового сообщения по интерфейсу UART. Элементы управления реализованы стандартными средствами языка HTML. Модуль Wiz220IO представляет собой готовое решение, на базе которого можно реализовать удаленную систему управления и контроля. Дизайн веб-интерфейса модуля можно изменять и загружать в Ethernet-контроллер W7100A, не затрагивая при этом его основной программы. Подробнее про работу с модулем Wiz220IO в режиме веб-сервера и реализации HTTP-протокола мы расскажем в следующей статье.

 Пример веб-страницы

Рис. 5. Пример веб-страницы

Модуль Wiz107SR реализует готовый конвертер интерфейсов Ethernet-RS-232 (рис. 6). С базовым ПО модуль обеспечивает передачу данных по каналу RS-232 со скоростью до 230 кбод. Управление приемом/передачей — аппаратное (RTS/CTS) или программное. По цене и своим функциональным характеристикам этот модуль идеально подходит для встраиваемых приложений. Небольшие габариты модуля (48×30×18 мм) и удобные крепежные отверстия позволяют установить его в любом удобном месте внутри корпуса прибора. В принципе этот модуль допускает возможность использования на его базе ПО собственной разработки, если фирменное ПО не решает требуемую задачу полностью.

 Модуль Wiz107SR

Рис. 6. Модуль Wiz107SR

Модуль Wiz108SR представляет собой конвертер интерфейсов Ethernet-RS-422/485. По основным характеристикам он соответствует Wiz107SR, за исключением того, что на плате установлены микросхемы драйверов физического уровня RS-422/485.

Программная поддержка микросхемы W7100A включает в себя драйвер Ethernet в исходных кодах, примеры приложений, демонстрирующие различные режимы работы, и специализированные утилиты для отладки (W7100 Debugger) и программирования (WizISP) Ethernet-моста. Все это доступно на официальном сайте WIZnet [4].

Рассмотрим работу с Ethernet-контроллером W7100A на примере реализации преобразователя Ethernet — UART. Такие преобразователи широко востребованы, а рассматриваемый Ethernet-контроллер хорошо подходит по своим возможностям и цене. В качестве отладочного набора будем использовать комплект Wiz220IO-EVB, в который входит модуль Wiz220IO и базовая плата Wiz220 Base Board. На базовой плате реализована схема питания модуля Wiz220IO и интерфейс RS-232 (выведен на стандартный разъем DB9–Male). Остальные элементы базовой платы для данного примера несущественны, о них можно получить информацию, обратившись к руководству пользователя Wiz220IO-EVB.

За основу приложения возьмем пример SToE Server, который можно скачать, пройдя по следующей ссылке [6]. Для работы с приложением понадобится компилятор Keil uVision версии 3 или 4 (рис. 7). Данный проект включает в себя следующие файлы:

  • socket.c;
  • socket.h;
  • TCPIIPCore.c;
  • TCPIIPCore.h;
  • types.h;
  • iinchip_conf.h;
  • W7100.h.
 Проект SToE, открытый в Keil uVision 4

Рис. 7. Проект SToE, открытый в Keil uVision 4

Эти файлы составляют драйвер для работы с микроконтроллером и Ethernet-блоком. Файлы serial.c и serial.h — выбор и настройка режима работы UART; putchar.c и putchar.h — вывод байта в UART; main.c — собственно реализует само приложение.

Описание примера начнем с интерфейса UART. Блок последовательного интерфейса контроллера W7100A работает в полнодуплексном режиме со скоростью передачи данных от 2400 до 230 400 бит/с. UART контроллера может работать в четырех режимах, для стандартных приложений наиболее подходящим является режим 1 (Mode 1). В этом режиме передается 1 старт-бит, 8 бит данных и 1 стоп-бит. Тактирование блока UART, то есть установка его скорости передачи, осуществляется с помощью таймера 1 или 2. Эти параметры задаются в примере в файле serial.c:

void InitSerial(void)
{
ET1 = 0; // Отключение прерывания таймера
TMOD = 0x20; // Выбор режима работы, для тактирования
// UART таймер переводится в режим 2 (Mode 2).
// В этом режиме таймер играет роль
// 8-разрядного счетчика с автозагрузкой.
// Скорость передачи задается установкой
// регистров PCON и TH1, см. следующие
// строки листинга
PCON |= 0x80; // Соответствие скоростей передачи и значения
// бита SMOD см. в таблице 6.5 [3]
TH1 = 0xFE; // Соответствие скоростей передачи и значения
// регистра TH1 см. в таблице 6.5 [3], в данном
// случае скорость равна 230 кбит/с
TR1 = 1; // Запускаем таймер 1 установкой бита TR1
// конфигурационного регистра таймеров 0 и 1
// TCON (см. раздел 5 [3])
SCON = 0x50; // Задаем режим работы Mode 1 блока UART
// (биты SM0=0, SM1=1, SM2=2), разрешаем
// работу (REN=1)
RI = 0; // Сброс флага прерывания, индицирующего
// окончание приема данных
TI = 0; // Сброс флага прерывания, индицирующего
// окончание передачи данных
ES = 1; // Разрешаем прерывания блока UART
}

Прием данных осуществляется в процедуре обработки прерывания UART — void Int() interrupt 4, описанной в файле main.c. Процедура читает входящие данные из буфера UART и помещает их во внутреннюю память. При достижении заданного порога MAX_SBUF_SIZE данные передаются в блок Ethernet.

Передача данных осуществляется функцией char putchar (char c), описанной в одноименном файле:

// Записываем данные в буфер UART
SBUF = c;
// Ждем завершения передачи
while(!TI);
TI = 0;
return c;

В результате описанных действий интерфейс UART подготовлен к дальнейшей работе.

Переходим к интерфейсу Ethernet и протоколу TCP/IP. Подготовка к работе начинается с инициализации блока Ethernet, которая заключается в присвоении сетевых параметров (MAC-адрес, IP-адрес, адрес шлюза и маска подсети) и задании размеров приемных и выходных буферов для каждого из сокетов. Под приемный и передающий буферы зарезервировано 16 кбайт для каждого. Эти 16 кбайт могут быть распределены между 8 сокетами в зависимости от задач. При использовании одного сокета все 16 кбайт приемного и 16 кбайт передающего буфера могут быть назначены этому сокету. Инициализация выполняется функцией void Init_Network(void) в файле main. c. Процедура проста и не имеет существенных отличий от описанной в [2] для моста W5100. Как и для моста W5100, после инициализации Ethernet-контроллер W7100A должен отвечать на команду ping.

Процессы установления соединения, ожидание входящего подключения, приема/передачи данных и отключения реализованы в функции void StoE(SOCKET s, uint16 port, uint8 xdata * e_buf, uint16 mode) в файле main.c:

switch (getSn_SR(s)) // Проверка текущего статуса сокета s
{
case SOCK_ESTABLISHED: // Соединение с клиентом
// установлено
if((e_len = getSn_RX_RSR(s)) > 0) // Проверка наличия
// данных в приемном
// буфере Ethernet
{
if(e_len > MAX_EBUF_SIZE) e_len = MAX_EBUF_SIZE;
s_len = recv(s, e_buf, e_len); // Читаем принятые данные
for(i=0; i < s_len; i++)
{
putchar(*(e_buf + i)); // Передаем их в UART
}
}
SerialToEthernet(s); // Если есть принятые данные со
// стороны UART, передаем их
// сетевому клиенту
break;
case SOCK_CLOSE_WAIT: // Получен запрос от клиента
// на завершение сессии
printf(“CLOSE_WAIT : %d\r\n”,(int) s);
disconnect(s); // Осуществляем отключение
break;
case SOCK_CLOSED: // Сокет закрыт
printf(“CLOSED. CH : %d\r\n”, (int)s);
close(s);
socket(s,Sn_MR_TCP,port,mode); // Открываем сокет s
// в режиме TCP
break;
case SOCK_INIT: // Сокет открыт
listen(s); // Ожидаем запрос на подключение
// от удаленного клиента
// printf(“StoE Started. CH : %d \r\n”, (int)s);
break;
}

Функция начинает работу с проверки статусного регистра Sn_SR сокета, указанного при вызове этой функции. В зависимости от его текущего состояния (сокет открыт, соединение установлено, ожидание закрытия соединения или сокет закрыт; подробнее о данном регистре в [3, стр. 92]) будут выполнены действия, описанные в листинге выше. Все функции по работе с сокетами, а также чтение и передача информации реализованы производителем. Использование протоколов TCP или UDP позволяет быстро реализовать сетевой канал обмена, как это показано в данном примере реализации преобразователя UART — Ethernet.

Остается убедиться в работоспособности приложения. Загрузка программы в контроллер W7100A осуществляется по интерфейсу UART с помощью утилиты WizISP (рис. 8). Этот режим активируется подачей «лог. 1» на выход BOOTEN перед запуском Ethernet-контроллера. В качестве переходных кабелей для программирования можно использовать преобразователи USB-Serial компании FTDI. Если используется интерфейс RS-232, подойдут кабели US232R-100 или UC232R-10; если используется прямой выход UART контроллера W7100A — TTL232R-3V3.

 Утилита WizISP для программирования контроллера W7100A

Рис. 8. Утилита WizISP для программирования контроллера W7100A

На примере программирования модуля Wiz220IO процесс будет выглядеть следующим образом. Модуль будет программироваться и тестироваться в составе набора Wiz220IO — EVB, то есть установленным на плату Wiz220IO Base Board. На этой плате имеются все необходимые элементы для питания модуля Wiz220IO (входное напряжение питания платы Base Board — 5 В) и драйвер интерфейса RS-232. Для подключения отладочного набора к ПК используем преобразователь US232R-100. Дополнительно понадобится переходник с разъемами DB9–Female, так как на преобразователе US232R-100 и базовой плате Wiz220IO установлены разъемы DB9–Male.

Для программирования модуля Wiz220IO будет удобно установить джампер на контактные площадки, помеченные как J3 [Boot]. Контактных площадок две: одна связана с выводом BOOTEN контроллера W7100A, а вторая — с шиной питания 3,3 В. Устанавливаем этот джампер и включаем питание: модуль перейдет в режим ожидания загрузки. На ПК запускаем утилиту WizISP. Начнем процедуру программирования с конвертации hex-файла, полученного в результате компиляции проекта в bin-формат. Эта процедура запускается из панели инструментов кнопкой HexToBin. Затем установим соединение между утилитой и модулем WizISP. За это ответственны настройки COM Port Configuration. Выбираем номер порта, который присвоен ОС кабелю US232R-100, скорость обмена оставляем по умолчанию равной 115 кбит/с и нажимаем кнопку Open. Если все действия были выполнены правильно, в информационном окне Log Message утилиты WizISP появится сообщение вида:

COM9 is opened @115200.
The flash ROM of W7100 is in CODE mode.

Режим загрузки Flash Operation Mode устанавливаем в положение Code, то есть загрузка будет осуществляться в область памяти программ. Далее производим следующие операции по порядку выполнения: стирание (Erase), проверка выполнения стирания (Blank check), запись (Program), чтение памяти (Read) и проверка записи (Verify). Эти команды доступны из основного меню Device и панели инструментов. Статус проверок стирания и записи отобразится в информационном окне в следующем виде:

Blank check successfully.
Flash ROM was verified successfully.

Теперь наша микросхема запрограммирована, и нам остается протестировать работу приложения. Самый простой и доступный способ для тестирования — использование стандартной утилиты Windows HyperTerminal. Внешний вид и настройки приведены на рис. 9.

Приложение HyperTerminal

Рис. 9. Приложение HyperTerminal: a) настройки Ethernet-соединения; б) настройки COM-соединения

Модуль подключается к ПК по сети и по USB с использованием виртуального COM-порта. Настроив оба канала, активируем соединение и подаем питание на модуль Wiz220IO. В окне COM-порта должно появиться информационное сообщение, аналогичное изображенному на рис. 10. После этого проверяем передачу с обеих сторон, например, передавая сообщение Application started (рис. 10). Наличие этого сообщения в окнах говорит об успешной передаче с одной и другой сторон.

Тестирование работы приложения

Рис. 10. Тестирование работы приложения

Итак, в статье были рассмотрены Ethernet-контроллер W7100 компании WIZnet и основные отладочные утилиты и модули для него. Стоит отметить, что контроллер очень прост в освоении. Наличие готовых примеров позволяет быстро проверить его возможности для решения конкретных задач. А наличие таких модулей на его базе, как рассмотренный Wiz220IO, позволяет полностью решить конкретную задачу. Для мелкосерийных изделий такой путь гораздо эффективнее, чем полный цикл разработки и производства аппаратной и программной частей изделия.

Литература

  1. Кривченко И. В. Новая продукция WIZnet для приложений Embedded Internet // Компоненты и технологии. 2007. № 4.
  2. Долгушин С. А. Работаем с Vinculum II и W5100. USB от FTDI + Ethernet от WIZnet // Компоненты и технологии. 2011. № 12.
  3. Internet Embedded MCU W7100A. Datasheet.
  4. http://www.WIZnet.co.kr
  5. http://www.efo.ru
  6. http://www1.mymcu.ru:8080/content/articles/WIZnet/SToE.rar

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке