基于W5500 的伺服以太网通信设计

马颖川，杨家辉

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

0 引 言

以太网接口已经广泛应用在当代的工业控制中。随着物联网技术的发展、系统体积的不断变大、通信数据的增多，传统的串口已经不能满足大数量的通信系统，通过单片机实现以太网通信已经成为一种发展趋势。串口总线、控制器局域网（Controller Area Network，CAN）总线具有传输距离短的缺点，在以往工业应用时受限很大，其连接线数目多的特点引起电装烦琐、查线困难的问题。例如，大型系统中监控设备一般采用网口通信形式完成对各个分机的控制。分机单片机加入以太网通信模块，能减少串口服务器使用率和设备间的电缆连接线，提高系统框架的耦合性，增加数据传输的效率。利用串行外围设备接口（Serial Peripheral Interface，SPI）协议进行外部扩展网络通信的形式将W5500 与数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）芯片连接，可实现高效快速的以太网通信策略。本文将集成有W5500 芯片的板卡成功应用在X-Y 型天线的伺服控制盒中，通过CAN 总线采集天线驱动设备信息和轴角信息，再通过以太网接口上报给上位机监控设备。上位机设备采用Qt 软件开发，实现了与伺服控制盒的通信与控制，进而实现对天线的监控[1-3]。

1 硬件设计

W5500 是一款以太网接口芯片，由WIZnet 公司推出，具有内部集成硬件协议栈、性能高等特点。集成电路中，可节约微控制单元（Microcontroller Unit，MCU）内部只读存储器（Read Only Memory，ROM）等硬件资源，具有应用快速简单、安全性好、可靠性高等优势。W5500 提供了SPI，能够更加容易地与外设MCU 整合，方便开发者使用。

CDSPF28335P 型数字信号处理器是一款具有国内自主知识产权的DSP 控制器，该器件精度高、成本低、功耗小、性能高、外设接口丰富以及数据存储量大，正在逐渐应用于工业领域。此外，CDSPF28335P具有高性能的互补式金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）技术，外设2 个CAN模块、3个通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）模块、2 个SPI 模块、1 个I2C 模块以及88 个可编程复用的通用输入输出（General Purpose Input Output，GPIO）引脚，可实现工业领域中大部分制式的数据通信和电平模拟量采集[4]。

本文采用SPI接口与MCU连接通信。如图1所示，基于W5500 的DSP 通信设计主要是DSP 与W5500的SPI 总线通信直连，包括从设备数据输出／主设备数据输出引脚SPISOMI、从设备数据输入／主设备数据输出引脚SPISIMO、片选信号端SPICS、时钟信号SPICLK，为总线4 线制的全双工通信。其中，片选信号作为DSP 的选择开关来选择W5500 芯片工作，时钟信号由DSP 输出作为W5500 的工作频率基准，最高可支持20 Mb/s的传输速率。除了这4个通信信号，还增加了IO20 连接INTn 作为备用中断输出，IO21连接RSTn 重置W5500 芯片。

图1 MCU 与W5500 连接图

以太网W5500 芯片采集到数据，可通过网线直连上位机，或者通过路由器中转。W5500 芯片不具有交叉直连自适应功能，但上位机和路由器的网卡一般支持。因此，在连接上位机时，应注意上位机网卡是否具备自适应功能。比较特殊的情况下，2 个W5500 芯片直连通信，必须用交叉线连接[5-9]。

2 软件设计

2.1 主程序设计

底层程序是将SPI 接口打通，而要打通接口必须按照W5500 芯片使用说明进行配置。芯片上电后，先要强制重置一次，即RSTn 给入低电平信号并保持500 μs 至生效。

重置后的W5500 才可以进行参数配置，也就是配置W5500 的媒体访问控制地址（Media Access Control Address，MAC）、IP 地址和网关。在此步，需要通过SPI 与W5500 芯片建立通信。拉低片选信号，保持W5500 芯片激活状态，随后通过改编官网SPI 发送接收函数，将参数信息传入芯片，返回正确值后代表配置成功。在改编官网函数时，由于官网文件与DSP 生态的不同，其宏定义及变量结构体命名方式也不同，需适应DSP 环境改造。在此代码工程中，改变char 和short int 型变量类型，使之适应DSP环境。官网给出的范例中，应用较多的是while 语法。实际测试中发现，若对端网络关闭或者参数错误，则可能造成程序卡死，因此对while 语法加入时间限制措施。

配置IP 代码为

网络参数配置成功后，上位机的网卡显示连接芯片成功，可ping通W5500芯片，此时可设置Socket模块。W5500 芯片共有8 个Socket 寄存器区，理论上可建立8 个用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）/传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）通信，接口丰富，能满足绝大部分嵌入式设备的接口需求。每一个Socket 的发送缓存区都在一个16 kB 的物理发送内存中，初始化分配为2 kB；每一个Socket 的接收缓存区都在一个16 kB 的物理接收内存中，初始化分配为2 kB。这也说明W5500 芯片能将接收或发送的数据先存入缓存区，等待MCU 处理完毕。官网给出的示例是主动查询式接收数据，这得益于芯片中丰富的内存。考虑到此次项目中通信数据量不大，采用此种方法将中断资源留给其他更重要的保护模块。初始化配置流程如图2 所示。

图2 初始化配置流程

2.2 基于Qt 的上位机程序设计

上位机程序是在Qt 平台下开发的界面程序，自带UDP 模块类，可实现与W5500 的通信。将提到的板卡应用到天线伺服设备中，该板卡通过其他接口采集到天线状态数据，再通过网口上报给上位机软件。

板卡中采用查询回复式的方法上报天线状态，板卡收到上位机发送的查询指令后，将天线状态数据打包发送给上位机，考虑到状态字节数和对系统实时性的要求，上位机间隔100 ms 查询一次状态。同样地，上位机软件可向板卡下发指令，板卡接收到指令后对指令解析，提取工作内容，进而驱动天线实现不同功能。上位机界面如图3 所示。

图3 上位机界面

基于Qt 的上位机程序，可设置网络通信IP、通信方式、端口，本文采用UDP 通信方式。首先初始化网络参数，打开网络监听线程，间隔100 ms发送查询指令。当监听线程收到网络数据后，通过消息的机制转到数据解码函数中，解算网络数据，从中获取天线状态信息。界面也可通过按钮的形式触发动作命令，当点击按钮后，在Qt 后台触发按钮槽函数，对指令编码，通过网络发送到对端设备。

3 测 试

测试实验中，找来一个X-Y型天线做被控对象，伺服控制盒通过CAN 总线连接X轴、Y轴电机、轴角装置和定位定向盒，通过网线连接上位机，实现与上位机的通信。测试连接如图4 所示。

图4 测试连接图

进行数据收发测试，利用上位机分别以不同频率（1 Hz、5 Hz、10 Hz、20 Hz 以及50 Hz）发送查询指令，持续10 min，统计发送和收到的完整包数，具体如表1 所示。从表中数据分析可以得出，伺服控制盒中网卡芯片收发正常，数据传输有效，有效率优于99%，能够应用于工业控制。

表1 测试数据

4 结 论

基于W5500 的天线伺服以太网通信设计满足了天线系统的通信速率和质量要求，单芯片有4 个Socket，可实现对多个设备的通信，节省了串口服务器设备和连接线缆数，简化了系统框架页，降低了系统成本。阐述了W5500 在天线伺服方面的应用前景，对搭载W5500 的伺服控制板进行硬件和软件设计，编写了上位机程序用于直观显示的通信内容。在此基础上，对不同速率进行测试，通信良好。天线实物测试过程中，天线状态等信息显示连续有效。测试结果表明，该设计方法通信有效，可推广应用在天线伺服系统中。