工業生產中，傳統測控系統已逐漸由集中式向分散式方向發展。分布在現場的傳感器和執行機構的智能越來越強，它們之間也越來越表現出對通信的迫切要求。隨著 Intelnet的迅速發展，TCP／IP協議正逐漸成為一種世界通用的網絡通信協議標準。如果讓處于現場的傳感器實現TCP／IP協議，也就是把網絡連接功能嵌入到現場傳感器中，使傳統的傳感器真正成為一個獨立的網絡結點，數據采集、信息傳輸等都能直接在Intranet／Internet上以Web方式進行，既統一了標準，又達到了遠程控制和操作的目的。基于W3IOOA的嵌入式IP荷重傳感器正是為實現這種目的而設計的。

　　1 IP荷重傳感器結構

　　嵌入式IP荷重傳感器是在智能傳感器的基礎上發展起來的具有Internet功能的新型傳感器。其實質是在傳統傳感器的基礎上實現TCP／IP網絡通信協議接口，將傳感器作為網絡節點直接與計算機網絡通信。它的組成主要有：敏感單元、智能處理單元和TCP／IP通信協議接口。

　　圖l為嵌入式IP荷重傳感器的結構框圖。整個傳感器的工作原理如下：傳統的傳感器將被測荷重信號轉換為電信號，先通過A／D轉換器轉換為數字信號，再經過微處理器的數據處理（濾波、校準）將結果傳送給網絡；與網絡的數據交換由基于TCP／IP協議的網絡接口模塊完成。嵌入式IP荷重傳感器的內部存儲器存儲傳感器的物理特征，如偏移、靈敏度、校準參數等；微處理器實現數據的處理及輸出校準；TCP／IP協議實現傳感器的網絡連接。與傳統的傳感器相比，基于 W3100A的嵌入式IP傳感器具有可靠、便宜、擴展性好的優點，而且可以在內部直接對原始數據加工、處理，并通過Intranet／Internet與外界進行數據交換，因而它具有微型化、網絡化和智能化的特點。由于傳感器可與Intranet／Internet互連，因而實現了資源共享。

　　2 TCP／lP協議棧的幾種實現方案

　　IP傳感器實現的關鍵在于網絡化接口的設計，而網絡化接口實現的關鍵在于TCP／IP通信協議的實現。目前，實現的方法有下面兩種：

　　①基于軟件來實現TCP／IP協議棧。通過將TCP／IP協議棧移植到系統中，然后調用相關的API函數實現網絡通信。或者不采用移植的方法，參照標準的 TCP／IP協議精簡相應的協議層，編寫相關的API函數完成簡易的TCP／IP通信。但是這種方法需要有操作系統、高性能MCU及大容量存儲器的支持。

　　②直接采用TCP／IP協議棧芯片。這種方案的主要優點在于，應用系統的設計不必考慮任何網絡協議，只需要解釋并執行網絡芯片傳送過來的指令和數據就可以實現與Internet網絡連接，實現數據對網絡的傳送，且不需要操作系統的支持。本文基于W3IOOA芯片的嵌入式IP荷重傳感器就是采用這種方法實現的。

　　3 傳感器系統硬件設計

　　3.1 W3100A芯片簡介

　　W3100A是韓國Wiznet公司生產的一種TCP／1P協議棧芯片，其中包含的協議層有TCP（傳輸控制協議）、IP（網際協議）、UDP（用戶數據報協議）、ICMP（因持網控制報文協議）和協議的DLC（數據鏈路控制），以及MAC協議。該芯片提供2個接口給上層應用層——MCU接口和I2C接口，1個MII（Media Independent Interface）接口給底層物理層。芯片支持全雙工4 M～5 Mb／s的數據通信；內部帶有雙口RAM的數據緩沖器，64引腳LQFP封裝，內部結構如圖2所示。

　　芯片內部提供512 B的控制寄存器存儲空間和16 KB的數據存儲緩沖器。其中8 KB傳輸數據緩沖器供Mcu傳輸數據用，MCU只能寫而不能讀；8 KB接收數據緩沖器供MCU接收數據用，MCU只能讀而不能寫。芯片提供寄存器供MCU訪問，具體的寄存器分類如下；控制寄存器（命令、狀態及中斷）；系統寄存器（網關地址、子網掩碼、IP地址等）；用于數據收、發的指針寄存器；通道操作的通道寄存器。各寄存器功能和地址參閱文獻。

　　3.2 硬件接口及其數據傳輸

　　W3100A提供了并口和串口兩種方式實現與MCU的通信。圖3為基于12C的串口連接方式。其中MCU為傳感器中的處理器，以太網物理層設備選用 RTIL8201芯片。W3100A提供MII接口與RTL820l相連，其中引腳RX_CLK、RXDV、RXD［3；O］以及COL用于數據的接收，而TX_CLK、TXE、TXD［3：O］用于數據的發送。MCU中提供模擬的I2C接口與W3lOOA通信。I2C是串行通信總線方式，由數據線SDA 和時鐘線SCL配合完成通信。

　　TCP連接分主動連接（TCP客戶機模式）和被動連接（TCP服務器模式）。本文主要用到TCP被動連接方式，具體過程如圖4所示。首先，要完成芯片的 TCP／IP初始化，初始化主要是對必要的寄存器進行相應的設置。這些寄存器包括GAR、SMR、SHAR以及SIPR等。

　　上述寄存器被設置后通過執行控制寄存器CO_CR的0位Sys_init激活芯片。其次，設置相應通道，如0通道，的協議選擇寄存器C0_SOPR為 0X01，選擇TCP協議。執行通道O控制寄存器CO_CR中的Socket_Init，同時將C0_Tw_PR、C0_TR_PR及CO_TA_PR置成同一值。然后執行C0_CR的Connect和Listen命令位，TCP連接建立。

　　TCP數據傳送和接收要在連接建立后才能進行，通過設置RMSR和TMSR來規定數據緩沖器空間大小。TCP數據傳送過程是通過使用C0_TW_PR、 CO_TA_PR來進行的，它們的初始值相同。然后MCU根據要傳送數據的多少增加C0_TW_PR的值。最后，C0_TW_PR、C0_TA_PR兩者之差為空閑數據緩沖器空間大小，執行傳送命令，同時增加C0_TA_PR的值，數據傳送完畢后它們的值又相同。

　　4 傳感器系統軟件設計

　　IP荷重傳感器的工作流程是：首先采集荷重信號，其次將信號進行A／D轉換后將結果存儲在EEPROM中，并可將信號和處理結果嵌入到存儲在EEPROM 中的事先定制好的網頁中供客戶機通過Internet訪問，同時在本機LCD上顯示荷重信號的數據。W31130A的工作方式類似于Windows的 Socket API，因此程序是在Cygnal公司的集成開發環境下，把儀器作為服務器，基于Socket API用C語言編寫的。對C8051F021而言，由于是用W3100A來完成TCP協議，其程序簡單了許多。

　　網絡配置文件預先存儲在EEPR（）M中，對于儀器的本地IP地址設置為一個靜態IP地址，如果沒有一個靜態IP地址也可以采用動態主機配置協議（DHCP）來動態獲取一個IP地址。

　　5 應用實例

　　紅礬鈉是一種重要的無機化工原料。在紅礬鈉的生產中，配料是一個十分重要的工序。由于配料現場的環境惡劣，帶毒粉塵多，噪聲大，嚴重影響工人的身體健康 ［…。傳統的計算機配料系統由于其傳感器遠傳能力有限，對配料系統的遠距離監控往往力不從心，因此，開發具有web功能的IP傳感器十分必要。基于IP傳感器的紅礬鈉配料系統組成框圖如圖6所示。

　　系統中Web的工作基于C／S模型，傳感器由Web瀏覽器和Web服務器構成，兩者之間采用HTTP協議進行通信，因此在傳感器的上層協議應該采用 HTTP協議。同時要實現瀏覽器與嵌入式Web傳感器交互，除了要解決上述TCP／IP通信協議接口外，在傳感器中應提供一個EEPROM存儲相應的網頁文件。交互時，HTTP通過統一資源定位器URL（Uniforrm Resource Locator）確定傳感器應該為瀏覽器提供哪些資源。為了節省空間，通過一種靈活的Hllsh算法實現。EEPROM的每一個文件都有一個不同的 Hush值與之相對應，存取時可以很快計算出文件的地址。此外，它可以根據網頁中嵌入的特殊標志實現動態網頁，即顯示實時采集的數據并進行控制操作。