2 硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

　　2.1 ?總體設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的硬件可分為采集模塊、處理模塊、鍵盤和顯示模塊、傳輸模塊、控制模塊和供電模塊等。其中采集模塊負(fù)責(zé)采集信息；處理模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)的工作，處理和存儲(chǔ)采集到的信息，控制模塊則可以進(jìn)行相應(yīng)的控制；鍵盤和顯示模塊負(fù)責(zé)顯示相關(guān)信息以提示現(xiàn)場(chǎng)人員操作；網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊負(fù)責(zé)信息與數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行信息交互；供電模塊負(fù)責(zé)為整個(gè)系統(tǒng)供電。圖2所示是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。通過(guò)這種結(jié)構(gòu)可以自主開發(fā)出一套高性價(jià)比、低成本、低功耗、開發(fā)周期短、運(yùn)行速度快、可靠性高、功能齊全、擴(kuò)展性強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)控制終端。

　　2.2 ?硬件實(shí)現(xiàn)

　　本系統(tǒng)的處理器模塊選用ST公司剛剛推出不久的、基于ARM CortexTM-M3內(nèi)核的新一代嵌入式STM32芯片。這是一款專為嵌入式應(yīng)用而開發(fā)的內(nèi)核。它帶有把中斷之間延遲降到6個(gè)CPU周期的嵌套向量中斷控制器，允許在每一個(gè)寫操作中修改單個(gè)數(shù)據(jù)位的獨(dú)立位操作，可進(jìn)行分支指令預(yù)測(cè)、單周期乘法、硬件除法且有高效的Thumb 2指令集。這些改良技術(shù)使Cortex-M3內(nèi)核具有優(yōu)異的代碼密度、實(shí)時(shí)性和低功耗性能。所有這些新功能都同時(shí)具有目前最優(yōu)的功耗水平，非常適合應(yīng)用于長(zhǎng)時(shí)間工作的終端控制系統(tǒng)。

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　　本系統(tǒng)由+12 V電源輸入，同時(shí)經(jīng)過(guò)LM2575和78L09穩(wěn)壓后分別得到5 V和9 V電壓，5 V再經(jīng)過(guò)SPX1117M3-3.3電壓穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換后得到3.3 V，這樣3.3 V、5 V和9V電壓即能夠很好地滿足內(nèi)核、外設(shè)和外部電路的供電。系統(tǒng)時(shí)鐘源可采用外部晶振，內(nèi)部PLL電路可以調(diào)整系統(tǒng)時(shí)鐘，使系統(tǒng)運(yùn)行速度更快。為了提供性能優(yōu)越的電源監(jiān)控性能，這里選取了專門的MAX811系統(tǒng)監(jiān)視復(fù)位芯片，該芯片可以通過(guò)手動(dòng)控制系統(tǒng)的復(fù)位，同時(shí)還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)電源，一旦系統(tǒng)電源低于系統(tǒng)復(fù)位閥值，電路中的MAX811將產(chǎn)生一個(gè)140ms的復(fù)位脈沖信號(hào)來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。

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　　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模塊選用的W5100芯片是一款多功能的單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片。它內(nèi)部集成有10／100Mbps以太網(wǎng)控制器，可支持自動(dòng)應(yīng)答(全雙工／半雙工模式)，主要用于高集成、高穩(wěn)定、高性能和低成本的嵌入式系統(tǒng)。使用W5100可以實(shí)現(xiàn)沒有操作系統(tǒng)的Internet連接。W5100與IEEE802.310BASE-T和802.3u 100BASE-TX兼容。此外，W5100內(nèi)部集成有全硬件的、經(jīng)過(guò)多年市場(chǎng)驗(yàn)證的TCP／IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層(MAC)和物理層(PHY)。其硬件TCP／IP協(xié)議可支持TCP、UDP、ICMP、IGMP、IPv4、ARP、PPPoE和IGMP。同時(shí)可支持4個(gè)獨(dú)立的端口(Socket)通信，其內(nèi)部16 K字節(jié)的發(fā)送，接收緩沖區(qū)可快速進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其最大通信速率可達(dá)25 Mbps。利用W5100提供的多種總線(并行總線和SPI總線)接口方式可以很方便地與各種MCU連接。可以說(shuō)，W5100器件的推出，大大簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)，并可使微控制器系統(tǒng)在沒有操作系統(tǒng)的支持下實(shí)現(xiàn)單芯片接人Internet的理想。一般情況下，只需設(shè)置寄存器和存儲(chǔ)器，就可以通過(guò)W5100芯片進(jìn)行Internet奎接。

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　　在設(shè)計(jì)中，STM32F103與W5100可通過(guò)SPI接口進(jìn)行連接。STM32F103作為SPI主設(shè)備，W5100作為SPI從設(shè)備，并由STM32F103為W5100提供通信時(shí)鐘，二者的接口連接圖如圖3所示。

　　但是，STM32F103在與W5100以SPI方式連接時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

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　　(1)W5100的SEN引腳必須通過(guò)一個(gè)10 kΩ的電阻接到高電平，以選W5100的SPI接口方式；

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　　(2)W5100的D0～D7、A0～A14及CS、WR、RD可以懸空，只使用SCLK、SCS、MOSI和MISO四根信號(hào)線；

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　　(3)W5100的INT引腳是中斷輸出，MCU需要根據(jù)該信號(hào)來(lái)判斷W5100的中斷狀態(tài)；

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　　(4)LINKLED是W5100輸出的以太網(wǎng)物理層信號(hào)，MCU需要根據(jù)該信號(hào)判斷以太網(wǎng)的聯(lián)接是否正常。該信號(hào)一般需要上拉輸入到MCU；

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　　(5)W5100的SPDLED、FDXLED、COLLED可以根據(jù)選擇是否需要輸入到MCU。

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　　另外，系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器模塊可以選用ST公司的64 MB的串行代碼存儲(chǔ)閃存M25P64。該器件的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)鐘頻率為50 MHz，數(shù)據(jù)讀取吞吐量為50 MB／s，其簡(jiǎn)單的SPI串行外設(shè)接口可簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本硬件平臺(tái)使用兩片M25P64級(jí)聯(lián)，可存儲(chǔ)128 MB的信息，圖4所示是其存儲(chǔ)電路，它完全可以滿足平臺(tái)信息采集存儲(chǔ)的需求。為方便人員察看，系統(tǒng)中的LCD屏可選用(114.0 mm×64.0 mm)。

　　

3 W5100的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

　　W5100的驅(qū)動(dòng)程序主要完成初始化和端口的數(shù)據(jù)通信等功能。

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　　通過(guò)SPI接口來(lái)配置W5100的寄存器一般具有固定的命令格式。根據(jù)SPI協(xié)議，SPI設(shè)備之間只有兩條數(shù)據(jù)線。因此需要定義操作碼(OP_Code)。W5100使用兩種操作碼：讀操作碼和寫操作碼。除了這兩種代碼，它將忽略和不響應(yīng)其它的操作碼。在SPI模式下，W5100只對(duì)“完整的32位數(shù)據(jù)流”進(jìn)行操作。這個(gè)32位的數(shù)據(jù)流包括1個(gè)字節(jié)的操作碼、2個(gè)字節(jié)的地址碼和1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。其操作碼、地址和數(shù)據(jù)字節(jié)的傳輸都是高位(MSB)在前、低位(LSB)在后。也就是說(shuō)，SPI數(shù)據(jù)的第一位是操作碼域的MSB，最后一位是數(shù)據(jù)域的LSB。W5100的SPI數(shù)據(jù)格式如表1所列。

　　初始化W5100主要是設(shè)置W5100的公共寄存器，包括MR、IMR、RTR、RCR、GAR、SUBR、SHAR、SIPR、RMSR和TMSR。一般在使用W5100之前，都要對(duì)W5100進(jìn)行初始化。