基于W5100芯片的網(wǎng)絡(luò)通信電路設(shè)計(jì)

王 勇 孫立功 張立文 李 娜 劉 博 孫孟方

（1．河南科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南 洛陽 471023；2．中國航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471009）

基于W5100芯片的網(wǎng)絡(luò)通信電路設(shè)計(jì)

王 勇1孫立功1張立文1李 娜1劉 博1孫孟方2

（1．河南科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南 洛陽 471023；2．中國航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471009）

W5100芯片是一種高集成度的網(wǎng)絡(luò)接口芯片，內(nèi)部集成有10/100M以太網(wǎng)控制器，經(jīng)過簡單的接口操作，可以實(shí)現(xiàn)沒有操作系統(tǒng)的internet連接，主要應(yīng)用于成本較低、穩(wěn)定性較高的嵌入式系統(tǒng)中。本文介紹了W5100的內(nèi)部構(gòu)成、引腳分布、接口方式及硬件電路設(shè)計(jì)。

W5100芯片；TCP/IP協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)通信；嵌入式系統(tǒng)

1．引言

在工業(yè)控制領(lǐng)域，設(shè)備間的通信常采用串行接口。隨著技術(shù)的進(jìn)步，對提高生產(chǎn)效率、控制質(zhì)量和降低成本的要求越來越高，串行通信方式傳輸速率低、傳輸距離短、布線復(fù)雜等缺點(diǎn)逐漸展現(xiàn)。而以太網(wǎng)可以方便地接入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸率高，兼容性好，因此基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展成為IT產(chǎn)品的主要通訊手段。在嵌入式領(lǐng)域，為了能跟上網(wǎng)路自動化的潮流，以太網(wǎng)的應(yīng)用越來越普遍。嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)接入Internet的關(guān)鍵是對TCP/IP協(xié)議的支持，目前常采用內(nèi)含TCP/IP協(xié)議棧的W5100網(wǎng)絡(luò)通信芯片進(jìn)行接口設(shè)計(jì)，這種方法所涉的硬件電路簡潔、開發(fā)工具成熟。

2．W5100芯片功能及引腳分布

W5100芯片內(nèi)部主要由四部分構(gòu)成：與微處理器接口單元、以太網(wǎng)物理層單元、TCP/IP硬件內(nèi)核單元以及發(fā)送/接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)單元。內(nèi)含端口寄存器、公共寄存器、發(fā)送存儲器和接收存儲器，共占用32kB的存儲空間。預(yù)留有與微處理器接口的并行總線接口，增加了SPI串行總線接口，線路傳輸率可達(dá)25Mbps。端口寄存器用于控制4個(gè)通路在網(wǎng)絡(luò)連接后的數(shù)據(jù)收發(fā)，各個(gè)通路均有獨(dú)立的寄存器設(shè)置。其中，端口狀態(tài)寄存器用于顯示端口相應(yīng)狀況；端口中斷寄存器用于通報(bào)通路連接狀況；端口命令寄存器用于控制端口的初始化、關(guān)斷、建立連接和終止、數(shù)據(jù)傳輸、命令接收等，對該位寫入不同的參數(shù)值，即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制。公共寄存器包括1個(gè)模式寄存器、4個(gè)網(wǎng)關(guān)地址寄存器、4個(gè)子網(wǎng)掩碼寄存器、6個(gè)本機(jī)硬件地址寄存器、4個(gè)本機(jī)IP地址寄存器、1個(gè)中斷寄存器、1個(gè)中斷屏蔽寄存器、2個(gè)重發(fā)時(shí)間寄存器、1個(gè)重發(fā)計(jì)數(shù)寄存器等。W5100采用薄型四方扁平式封裝，共有80個(gè)引腳，按照功能分為6大類[1]：

(1)以太網(wǎng)物理層類信號：1腳為物理層片外電阻端RSET_BG，使用時(shí)需要連接一個(gè)12.3 kΩ的電阻到地。運(yùn)行模式控制線3根，63～65引腳為OPMODE[0..2]，這3條控制線輸入不同的數(shù)字信號，將使以太網(wǎng)物理層工作在8種不同的模式下。差分信號對輸入線2根，用于接收從介質(zhì)傳輸來的差分?jǐn)?shù)據(jù)信號，5腳為信號線對的正極RXIP，6腳為信號線對的負(fù)極RXIN。差分信號線對輸出線2根，用于向介質(zhì)傳輸差分?jǐn)?shù)據(jù)信號，8腳為信號線對的正極RXOP，9腳為信號線對的負(fù)極RXON。

(2)與微處理器接口類信號：控制線5根，59腳為RESET端，低電平有效，用于初始化W5100芯片；55腳為CS端，低電平有效，用于片選W5100芯片；57、58引腳為讀寫控制端WR、RD，在對W5100進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫時(shí)由微處理器發(fā)出相應(yīng)控制時(shí)序；56腳為中斷輸出INT端，W5100內(nèi)部產(chǎn)生中斷時(shí)，該引腳進(jìn)行低電平輸出。數(shù)據(jù)線8根，數(shù)據(jù)位從高到低分別對應(yīng)引腳l9～26，微處理器通過這些引腳對W5100進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。地址線15根，地址線從高到低分別對應(yīng)38～42、45～54引腳，通過對它們的設(shè)置來選擇W5100內(nèi)部的存儲器和寄存器。SPI接口功能線5根，30腳為SPI功能使能引腳SEN端，高電平有效；29腳為SCLK端，作為SPI的時(shí)鐘輸入；28腳為SPI從模式選擇端SCS，低電平有效；27、28腳為MOSI、MISO端，它們是SPI通信方式的2根數(shù)據(jù)線。

(3)電源：電源引腳20根，2腳用于模擬系統(tǒng)3.3V供電，12、18、44腳用于數(shù)字系統(tǒng)3.3V供電，7、74腳用于模擬系統(tǒng)1.8V供電，15、16、33、69腳用于數(shù)字系統(tǒng)1.8V供電，4、10、77腳用于接模擬電源地，13、14、17、32、43、68腳用于接數(shù)字電源地，11腳用于輸出1.8V電壓。

(4)工作狀態(tài)指示信號：66、67、70～73腳分別連接一個(gè)LED燈，分別用于指示連接狀態(tài)、連接速度、全雙工模式、IP地址是否沖突、接收數(shù)據(jù)狀態(tài)及發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)，低電平有效。

(5)時(shí)鐘信號：75腳為XTLN端，76腳為XTLP端，使用時(shí)外接25MHz的晶振。如果使用外部振蕩信號，信號連接到XTLP端，而XTLN端保持?jǐn)嚅_。

(6)其它：37～34腳為TEST-MODE[0..3]，用于選擇芯片的工作模式，通用模式為“0000”，其它模式作為內(nèi)部測試使用。3、60～62、78～80腳為NC端，供廠家測試用，用戶不能使用。

3．W5100芯片接口方式

W5100提供3種接口：直接并行總線、間接并行總線和SPI總線。直接并行總線將15根地址線，8根數(shù)據(jù)線與微處理器直連，并連接片選信號、寫使能、讀使能及中斷信號4根控制線。間接并行總線方式中地址自增加，這樣地址線只需要2根，其余不用的地址線接下拉電阻，這種方式下數(shù)據(jù)傳輸速度要比直接并行總線方式慢。SPI總線接口只需要4個(gè)引腳（/SS、CLK、MOSI、MISO）和微處理器連接即可，當(dāng)SPI_EN引腳接上拉電阻，則SPI通信模式有效，具體接口方式如圖1所示。在SPI接口方式下，W5100作為從設(shè)備，主控制器發(fā)出一系列指令控制其運(yùn)行。以上三種接口方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際開發(fā)過程中，設(shè)計(jì)者可根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率、I/ O口線占用情況等實(shí)際需要來選取[1，2]。

圖1SPI接口方式

4．硬件電路設(shè)計(jì)

在微處理器接口數(shù)量有限且對數(shù)據(jù)傳輸速率要求相對不高的情況下，SPI接口方式是首選。在W5100中，SPI_EN為SPI接口使能引腳，將其經(jīng)10K電阻上拉到高電平以允許SPI模式；RSET_BG是物理層片外電阻引腳，在使用時(shí)需要外接一個(gè)12．3kΩ±1%的電阻到地，在電路設(shè)計(jì)中可采用一個(gè)12KΩ電阻和300Ω電阻串聯(lián)實(shí)現(xiàn)；時(shí)鐘電路由1個(gè)25MHz晶振、2個(gè)22pF電容和1個(gè)1MΩ電阻組成；RESET為復(fù)位輸入引腳，它直接與微處理器復(fù)位引腳復(fù)用，這樣可以使它們同步復(fù)位，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；用9個(gè)電容對芯片電源進(jìn)行去耦，使芯片工作更加穩(wěn)定。W5100提供6個(gè)LED指示引腳，用于顯示W(wǎng)5100工作情況，可以讓用戶直觀地看到系統(tǒng)工作狀況。W5100最終通過RJ45連接口與外界連通，RJ45中以太網(wǎng)隔離變壓電路如圖2所示，隔離變壓器采用HR911105A，可以實(shí)現(xiàn)對2kV以上電壓隔離作用，防止靜態(tài)干擾，兩個(gè)隔離變壓器都需要外接一個(gè)0.1uF的電容和兩個(gè)49.9Ω電阻。

圖2 以太網(wǎng)隔離變壓電路

5．結(jié)束語

由于W5100芯片內(nèi)部集成了以太網(wǎng)物理層單元，因此設(shè)計(jì)中可以省去該層電路設(shè)計(jì)，從而簡化了電路，節(jié)約了成本，提高了電路的可靠性。將嵌入式設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)是科技發(fā)展的必然趨勢，網(wǎng)口通信是所有設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)，具有廣闊的應(yīng)用范圍和市場潛力。

[1]王計(jì)元．單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片W5100的原理與應(yīng)用[J]．上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，27(2)：153-159．

[2]陳實(shí)，王琪，張鐵軍等．一種基于W5100的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J]．電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(9)：54-60．

Design of Network Communication Circuit Based on W5100 Chip

Wang Yong1Sun Ligong1Zhang Liwen1Li Na1Liu Bo1Sun Mengfang2
(1.Electrical Engineering College,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471023,Henan; 2.Luoyang Research Institute of Electro-Optical Equipment ofAVIC,Luoyang 471009,Henan)

W5100 is a network interface chip with high integration density.10/100M ethernet controller is integrated in this chip. By a simple interface operation,W5100 chip can realize internet connection without operating system.It is mainly used in the embedded system of lower cost and high stability.Internal structure,pins distribution,interface mode and hardware circuit design of W5100 chip are introduced.

W5100 chip;TCP/IP protocol;network communication;embedded system

王勇，男，河南淮濱人，碩士，講師。研究方向：應(yīng)用電子電路開發(fā)與設(shè)計(jì)。

河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號：14A510003。