??? 摘??要: 提出了一種基于硬件協議棧芯片W5100的遠程圖像采集傳輸系統。該系統使用STM32微控制器實現圖像數據的采集與圖像預處理，再利用W5100完備的以太網協議與靈活高速的傳輸能力，完成向遠程終端的圖像數據傳輸。?
??? 關鍵詞： W5100； TCP/IP； STM32
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??? 近年來，在圖像采集傳輸系統中實現以太網互聯正在成為研究和應用的熱點。在這種潮流的推動下，研究人員提出了許多解決方案：一種方案是在系統中植入具有TCP/IP協議棧的嵌入式操作系統，其缺點是開發周期長、難度大；另一種方案是采用第三方的以太網協議轉換設備，通過轉換設備通信，由轉換器完成數據封裝和協議轉換，其缺點是通信速率受限，系統無法對以太網進行控制。雖然上述做法在很多應用中取得了不錯的效果，但都是以犧牲大量資源為代價的。而本文介紹的W5100硬件協議棧芯片則可以在占用極低系統資源的條件下快速完成網絡圖像傳輸與通信。?
1 芯片介紹?
??? 目前很多嵌入式網絡芯片是直接通過軟件實現的，但是由于網絡協議都比較大，寫入軟件后穩定性欠佳，而且客戶時常會有新的需求，這種用軟件實現的方式很難滿足頻繁更新升級的要求。針對這種現狀，WIZnet公司的硬件協議棧芯片將網絡協議的處理獨立于系統處理器之外，以大規模集成電路方式硬件化通信協議棧，提供一種簡單、經濟的高速連接互聯網上各種數字設備的解決方案[1]。?
??? 如圖1所示，W5100將網絡協議的處理分成一個由特定處理器執行的控制部分和一個硬件線路部分，實現硬件化TCP/IP棧中的TCP、UDP、ICMP、IPv4、ARP、IGMP以及PPPoE協議，另加連接以太網協議中的數據控制及MAC協議。芯片內含16 KB收/發緩沖存儲器，并且將10 M/100 Mb/s以太網MAC和PHY集成到自動MDIX。利用邏輯硬件實現，使系統設計更加簡單、緊湊。W5100的性能和結構特點如下：?
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??? (1) 內嵌10BaseT/100BaseT以太網物理層，理論線路傳輸率可達25 Mb/s；?
??? (2) 支持自動通信握手(全雙工和半雙工)；?
??? (3) 支持自動MDI/MDIX,自動校正信號極性；?
??? (4) 支持ADSL連接(支持PPPoE協議中的PAD/CHAP認證模式)；?
??? (5) 支持4個獨立端口同時運行；?
??? (6) 支持16 KB存儲器用于數據發送/接收緩存。?
??? W5100提供3種接口：直接并行總線、間接并行總線和SPI總線。使用W5100不需要考慮以太網的控制，只需要簡單的端口Socket編程，大大簡化了硬件電路設計，使控制器在沒有操作系統的支持下，真正實現了單芯片接入 以太網。應用W5100于系統中可完全卸載網絡協議所需的負荷，減少軟件開發的開支，具有較短的開發周期與較強的工程彈性。?
2? 系統設計?
2.1 系統硬件設計?
??? 基于W5100的遠程圖像采集傳輸系統的硬件框架圖如圖2所示，本系統采用意法半導體公司的STM32F101R6作為MCU。STM32系列32位ARM微控制器的Cortex-M3內核[2],是ARM公司為要求高性能(1.25 Dhrystone MIPS/MHz)、低成本、低功耗的嵌入式應用而專門設計的內核，提高了代碼密度的Thumb-2指令集,大幅度增強中斷響應,具有業界較優的功耗水平。STM32在結合了高性能、低功耗和低電壓特性的同時，保持了高度的集成性能和簡易的開發特性。圖2中25 MHz晶振提供W5100的工作時鐘；EEPROM用于保存系統的網絡配置；RJ45接普通雙絞線，連接上位機。?
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??? STM32與W5100之間采用W5100的Direct Bus I/F的工作方式，對物理層銜接則應用標準MII接口，即采用15位的地址線和8位數據線， 以及/CS、/RD、/WR、/INT控制線。在硬件初始化時，W5100的各寄存器和接收/發送Buffer作為STM32的I/O空間與外掛Flash一起內存映射。STM32對W5100的控制就是通過響應W5100中斷，然后讀寫W5100的控制和狀態寄存器來完成：STM32解析W5100的Rx Buffer中的狀態包，當判斷出是上位機發送過來的采集命令時，立即給CCD發出一個控制命令開始采集，讀取A/D轉換器，經過前期的圖像處理后，將圖像數據逐行高速存入外掛Flash中備份，然后把數據從Flash復制到W5100的Tx Buffer中。這樣，STM32的工作完成，緊接著W5100根據硬件化的TCP/IP協議把數據自動發送至上位機PC。?
2.2 系統固件設計?
??? W5100提供多種以太網協議，本系統主要使用TCP/IP協議。W5100提供了4個獨立的Socket通道，每個Socket工作于TCP/IP協議的C/S模式：在Server模式下，PC端發出連接請求，W5100響應請求，建立連接，開始控制命令傳輸。在Client模式下，系統向PC發出連接請求，建立連接，開始圖像數據傳輸。?
??? 圖3為系統固件的流程圖。(1)進行系統硬件初始化，配置I2C總線和GPIO的間接總線。(2)針對W5100進行網絡設置：分配各Socket的工作模式、目標IP、PORT、相關Buffer的大小；設置源(本地)MAC、IP、GATEWAY、SUBNET和PORT。(3)建立Control Socket，工作于Server模式：該Socket處于Listen 狀態，當偵聽到有上位機的Connect請求時，建立連接。STM32通過中斷觸發從W5100讀取控制字，根據控制字做出相應的操作，開始圖像采集或關閉Socket。當圖像采集完畢后，建立Data Socket工作于Client模式，向上位機發送Connect請求建立連接。連接建立后，開始向上位機發送數據，數據傳輸完畢后關閉Control 和Data Socket，完成此次TCP/IP通信。?
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2.3 PC端應用軟件設計?
??? PC端的應用軟件基于VC6.0編寫[3]，以豐富完備的按鈕和菜單來實現本系統的人機交換功能。軟件編寫的側重點在于顯示和數據處理方面，本文不做贅述。圖4為該軟件運行截圖。?
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??? 本文提出了一種基于硬件協議棧芯片W5100的遠程圖像采集傳輸系統。本系統使用STM32微控制器實現圖像數據的采集與圖像預處理，再利用W5100支持的完善的以太網協議以及其靈活高速的傳輸能力，完成向遠程終端的圖像數據傳輸。本系統結構緊湊，硬件電路設計簡潔明了；在固件方面，在沒有操作系統的支持下，真正實現了單芯片接入以太網，并且開發了相應的應用軟件，使本系統具有直接的操作性和商業價值。?
參考文獻?
[1] WIZnet Co.,Inc.W5100 datasheet version 1.1.5[R],2006.?
[2] STMicroelectronics. STM32F101 user manual[R],2007.?
[3] 孫鑫, 余安萍. VC++深入詳解[M].北京：電子工業出版社,2006.