传感器模块编程实践(二)W5500 SPI转以太网模块简介及驱动源码

news2024/10/6 5:47:21

文章目录

    • 一.概要
    • 二.W5500芯片介绍
      • W5500通讯协议介绍
    • 三.W5500模块介绍
    • 四.W5500模块原理图
    • 五.W5500以太网模通讯实验
    • 六.CubeMX工程源代码下载
    • 七.小结

一.概要

我们介绍过单片机的以太网系统一般是由：单片机+MAC+PHY+RJ45。有些单片机比如STM32F407VET6芯片内部自带MAC，STM32F407VET6+PHY(LAN8720)+RJ45就能组成以太网系统，但比如常见的STM32F103C8T6单片机是不带MAC控制器，需要组成以太网系统，就不能采用STM32F407的方式。

STM32F103C8T6+W5500芯片(SPI转以太网)+RJ45就能很好组成以太网系统。W5500 是一款全硬件 TCP/IP嵌入式以太网控制器，集成PHY和MAC带硬件TCP/IP协议栈，为嵌入式系统提供了更加简易的互联网连接方案， 使用硬件逻辑门电路实现, TCP/IP 协议栈的传输层及网络层(如:TCP,UDP,ICMP,IPV4ARP, IGMP.PPPoE 等协议)，并集成了数据链路层，物理层，以及 32K字节片上 RAM 作为数据收发缓存。使得单片机只需承担TCP/P 应用层控制信息的处理任务。从而大大节省了单片机对于数据复制、协议处理和中断处理等方面的工作量，提升了系统利用率及可靠性。
W5500模块集成了个硬件 TCP/IP 协议栈芯片 W5500 以及1个含有网络变压器的 RJ45(HR911105A)。
本文介绍了 W5500芯片以及W5500模块，并通过STM32F103C8T6单片机驱动W5500模块实现TCP/IP数据通讯。

在这里插入图片描述

二.W5500芯片介绍

W5500芯片是WIZnet公司出品的全硬件 TCP/IP 协议栈支持 TCP,UDP,IPv4,ICMP,ARP,IGMP 以及 PPPoE 协议。W5500 内嵌 32K 字节片上缓存以供以太网包处理。如果你使用 W5500， 你只需要一些简单的 Socket 编程就能实现以太网应用。这将会比其他嵌入式以太网方案 更加快捷、简便。用户可以同时使用 8 个硬件 Socket 独立通讯。
W5500 提供了 SPI（串行外部接口）作为外设主机接口，共有 SCSn, SCLK, MOSI, MISO 4 路信
号，且作为 SPI 从机工作。 W5500 的使用了新的高效 SPI 协议支持 80MHz 速率，从而能够更好的实现高速网络通讯。 为了减少系统能耗，W5500 提供了网络唤醒模式（WOL）及掉电模式供客户选择使用。

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W5500特点：

支持硬件 TCP/IP 协议：TCP, UDP, ICMP, IPv4, ARP, IGMP, PPPoE
支持 8 个独立端口（Socket）同时通讯
支持掉电模式
支持网络唤醒
支持高速串行外设接口（SPI 模式 0，3）
内部 32K 字节收发缓存
内嵌 10BaseT/100BaseTX 以太网物理层（PHY）
支持自动协商（10/100-Based 全双工/半双工）
不支持 IP 分片
3.3V 工作电压，I/O 信号口 5V 耐压；
LED 状态显示（全双工/半双工，网络连接，网络速度，活动状态）
48 引脚 LQFP 无铅封装（7x7mm, 0.5mm 间距）

基于W5500芯片组成的基本以太网设备
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W5500通讯协议介绍

W5500与单片机采用SPI数据格式进行通讯
W5500的SPI帧分为 3 段：地址段，控制段，数据段，如下图所示。

SPI帧格式图
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W5500的SPI 数据帧包括了 16 位地址段的偏移地址，8 位控制段和 N 字节数据段。8 位控制段可以通过修改区域选择位 (BSB[4:0])，读/写访问模式位(RWB)以及 SPI工作模式位(OM[1:0])来重新定义。 区域选择位选择了归属于偏移地址的区域。

地址段
地址段为 W5500 的寄存器或 TX/RX 缓存区指定了 16 位的偏移地址。 这 16 位偏移地址的值来自
于从最高标志位到最低标志位的顺序传输。 SPI 数据帧的数据段（2/4/N 字节）通过偏移地址自增（每传输 1 字节偏移地址加 1） 支持连续数据读/写。

控制段
控制段指定了地址段设定的偏移区域的归属，读/写访问模式以及 SPI 工作模式。
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在 VDM 模式下(可变数据长度模式 Variable Data Length Mode)，SPI 数据帧的长度被外设主机控制的 SCSn 所定义。这就意味着数据 段长度根据 SCSn 的控制，可以是一个随机值（从 1 字节到 N 字节任何长度均可），在 VDM 模式下，OM[1:0]位必须为‘00’。

数据段
在 SPI 工作模式位 OM[1:0]设定了控制端之后，数据段被设定为 2 种长度类型：1 种为可变的 N 字
节长度（可变数据长度模式），另以一种为确定的 1/2/4 字节长度（固定数 据长度模式）。 此时，1 字节数据从最大标志位到最小标志位，通过 MOSI 或者 MISO 信号传输。

VDM 模式下SPI写时序

SPI 的MODE0和MODE3唯一不同的就是在非活动状态下， SCLK 信号的极性,我们一般都采用空闲下是低电平，就是STM32 SPI协议中CPOL为0，CPHA为0，所以默认采用MODE0方式。
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VDM 模式下SPI读时序
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三.W5500模块介绍

W5500模块集成了个W5500芯片以及1个含有网络变压器的 RJ45(HR911105A)。
W5500模块可以使用杜邦线与STM32F103C8T6开发板连接，其中W5500模块引脚丝印可在模块正面看到。

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STM32单片机板子与W5500模块通过7根杜邦线相连
板子GND----模块GND
板子5V-------模块5V
板子PB12—模块SCS
板子PB13—模块SCLK
板子PB14—模块MISO
板子PB15—模块MOSI
板子PA8-----模块RST

四.W5500模块原理图

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五.W5500以太网模通讯实验

硬件准备：

STLINK接STM32F103C8T6开发板，STLINK接电脑USB口，开发板通过杜邦线接W5500模块，W5500模块通过网线接电脑网口。

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打开STM32CubeMX软件,新建工程
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Part Number处输入STM32F103C8，再双击就创建新的工程
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配置下载口引脚
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配置外部晶振引脚
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配置系统主频
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PA8,PB12配置成GPIO输出
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SPI2引脚配置以及速度配置
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配置工程文件名，保存路径，KEIL5工程输出方式
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生成工程
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用Keil5打开工程
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添加代码

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配置IP地址等信息，确保板子的IP地址，电脑IP地址在同一网关内
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两个GPIO控制引脚进行相应配置
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SPI读写函数调用换成HAL库
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调用W5500初始化，以及数据收发函数，实现数据通讯
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主要代码

uint8_t  remote_ip[4]={192,168,1,15};									/*远端IP地址*///服务器IP地址，电脑网口的IP地址
uint8_t  Gateway_ip[4]={192,168,1,1};										/*网关地址*/
uint8_t  Board_ip[4]={192,168,1,55};										/*板子IP地址*/ 

//上述三个IP地址需配置正确///


uint16_t local_port=8888;	                    							/*定义本地端口*///可以固定成8888，实验时候不需要改
uint16_t remote_port=8888;													/*远端端口号*/ //服务器的端口号，可以固定成8888，实验时候不需要改

#define W5500_NSS_Pin GPIO_PIN_12
#define W5500_NSS_GPIO_Port GPIOB
#define W5500_RES_Pin GPIO_PIN_8
#define W5500_RES_GPIO_Port GPIOA
#define W5500_RES_High()	  HAL_GPIO_WritePin(W5500_RES_GPIO_Port,W5500_RES_Pin,GPIO_PIN_SET)   // /*W5500的RESET管脚*/
#define	W5500_RES_Low()	    HAL_GPIO_WritePin(W5500_RES_GPIO_Port,W5500_RES_Pin,GPIO_PIN_RESET)// /*W5500的RESET管脚*/
#define W5500_NSS_High()	  HAL_GPIO_WritePin(W5500_NSS_GPIO_Port,W5500_NSS_Pin,GPIO_PIN_SET)  ///*W5500的片选管脚*/
#define	W5500_NSS_Low()	    HAL_GPIO_WritePin(W5500_NSS_GPIO_Port,W5500_NSS_Pin,GPIO_PIN_RESET) ///*W5500的片选管脚*//
//W5500初始化
void W5500_ChipInit(void)
{
    W5500_RESET();//复位芯片
    reg_wizchip_cris_cbfunc(SPI_CrisEnter, SPI_CrisExit); //注册临界函数
    reg_wizchip_cs_cbfunc(SPI_CS_Select, SPI_CS_Deselect); //注册SPI片选函数
    reg_wizchip_spi_cbfunc(SPI_ReadByte, SPI_WriteByte); //注册SPI读写函数
    ChipParametersConfiguration();//初始化芯片
    NetworkParameterConfiguration();//初始化网络参数配置 MAC 静态IP配置等
}
//SPI发送1字节
void SPI_WriteByte(uint8_t TxData)
{                
  uint8_t data;
  HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi2,&TxData,&data,1,100);
}
 
//SPI接收1字节
uint8_t SPI_ReadByte(void)
{     
    uint8_t data[2]={0xFF,0xFF};
    HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi2,data,data+1,1,100);
    return data[1];
}
 				
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();//8M外部晶振，72M系统主频

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();//复位管脚，片选管脚初始化
  MX_SPI2_Init();//初始化SP2引脚，PB13,PB14,PB15
  /* USER CODE BEGIN 2 */
	W5500_ChipInit(); //芯片初始化

  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
	
		Net_Status = getSn_SR(SOCK_TCPC);
		
    switch(Net_Status)                  /*获取socket的状态*/
    {
    case SOCK_CLOSED:                   /*socket处于关闭状态*/
				socket(SOCK_TCPC,Sn_MR_TCP,local_port,Sn_MR_ND);
        break;
    case SOCK_INIT:                      /*socket处于初始化状态*/
				connect(SOCK_TCPC,remote_ip,remote_port);/*socket连接服务器*/
        break;
    case SOCK_ESTABLISHED:               /*socket处于连接建立状态*/
        if(getSn_IR(SOCK_TCPC) & Sn_IR_CON) 
        {
            setSn_IR(SOCK_TCPC, Sn_IR_CON);      /*清除接收中断标志位*/
        }
        Len=getSn_RX_RSR(SOCK_TCPC);            /*获取接收的数据长度*/
        if(Len>0)  //接收到数据
        {
            recv(SOCK_TCPC,RevBuf,Len);     /*接收来自Server的数据*/					
            send(SOCK_TCPC,RevBuf,Len);    //接收到的数据返回给服务器
        }else
				{
					send(SOCK_TCPC,TEST_buff,sLen);    //发送默认的数组
            HAL_Delay(1000);//等待1000ms
				}
        break;
    case SOCK_CLOSE_WAIT:        /*socket处于等待关闭状态*/
        close(SOCK_TCPC);
        break;
    }
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

实验效果：

IP,端口都配置完成后，网线连接上电脑后，电脑TCP上位机打开服务器模式，就能接收到数据
在这里插入图片描述

六.CubeMX工程源代码下载

通过网盘分享的文件：W5500以太网模块通信实验（HAL库）.rar
链接: https://pan.baidu.com/s/150GohcZUoWHk0-gcq9HbkA 提取码: 5cqi
如果链接失效，可以联系博主给最新链接
程序下载下来之后解压就行

七.小结

W5500模块只需要一些简单的 Socket 编程就能实现以太网通讯，适合STM32F103单片机实现以太网相关应用。

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