摘 要：文中提出了采用單片機(jī)STC15F2K60S2和以太網(wǎng)控制芯片W5500的繼電器遠(yuǎn)程控制方案，并給出了各模塊的詳細(xì)電路圖以及單片機(jī)主程序流程圖。該方案工作可靠、網(wǎng)絡(luò)安全性高、性價(jià)比高，在智能樓宇、智能家居等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程控制；W5500；單片機(jī)；繼電器

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）05-00-04

0 引 言

繼電器遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)不僅方便了操作并且提高了效率。只要有網(wǎng)絡(luò)的地方就可以對(duì)繼電器進(jìn)行控制，再由繼電器控制其他設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。通過使用以太網(wǎng)控制芯片W5500，利用TCP協(xié)議，便可實(shí)現(xiàn)繼電器的遠(yuǎn)程控制。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。計(jì)算機(jī)作為客戶端，W5500作為服務(wù)器，利用TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)客戶端到服務(wù)器的連接。計(jì)算機(jī)端使用廣州致遠(yuǎn)電子有限公司開發(fā)的免費(fèi)軟件“TCP&UDP測試工具”發(fā)送繼電器控制命令；控制命令經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳送到W5500；單片機(jī)通過讀取W5500的接收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接收控制命令，并根據(jù)命令對(duì)繼電器進(jìn)行開關(guān)控制。系統(tǒng)所需的主要工作包括W5500網(wǎng)絡(luò)控制模塊電路的設(shè)計(jì)、單片機(jī)及繼電器控制模塊電路的設(shè)計(jì)和單片機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 W5500網(wǎng)絡(luò)控制模塊

系統(tǒng)以W5500芯片為核心組成網(wǎng)絡(luò)控制模塊，采用TCP協(xié)議與計(jì)算機(jī)端進(jìn)行通信，接收計(jì)算機(jī)端發(fā)送來的繼電器控制命令。

2.1.1 W5500簡介

由于OSI（Open System Interconnection，開放式系統(tǒng)互聯(lián)）七層協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型與TCP/IP四層協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，因此在分析、研究計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)時(shí)往往采用Andrew S.Tanenbaum教授建議的綜合以上兩種模型優(yōu)點(diǎn)的五層協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型，它包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層以及應(yīng)用層。

W5500是韓國WIZnet公司于2013年推出的一款以太網(wǎng)控制芯片，它整合了五層計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的前四層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，并在內(nèi)部利用硬件實(shí)現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議棧。全硬件TCP/IP協(xié)議棧完全獨(dú)立于主控芯片，可降低主芯片負(fù)載且無需移植繁瑣的TCP/IP協(xié)議棧；可有效應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)攻擊和病毒，安全性高[1]。W5500為用戶提供了一個(gè)簡易的互聯(lián)網(wǎng)連接方案。W5500功能框圖如圖2所示。

圖2 W5500的功能框圖

W5500集成了硬件TCP/IP協(xié)議，包括TCP，UDP，IPv4，ICMP，ARP，IGMP以及PPPoE協(xié)議和以太網(wǎng)的PHY和MAC層。W5500內(nèi)嵌32 K字節(jié)收發(fā)緩存以供以太網(wǎng)包處理。用戶使用W5500，只需要一些簡單的Socket編程就能實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)應(yīng)用。這將會(huì)比采用軟件實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧的傳統(tǒng)以太網(wǎng)方案更加快捷、簡便。用戶可以同時(shí)使用8個(gè)硬件Socket獨(dú)立通訊。W5500提供了串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI），從而能夠更加容易地與外設(shè)MCU整合。而且W5500使用了新的高效SPI協(xié)議支持80 MHz速率，從而能夠更好地實(shí)現(xiàn)高速網(wǎng)絡(luò)通訊。為了減少系統(tǒng)能耗，W5500提供了網(wǎng)絡(luò)喚醒模式（Wake on LAN，WoL）及掉電模式供用戶選擇使用[2]。

2.1.2 W5500網(wǎng)絡(luò)控制模塊電路設(shè)計(jì)

W5500網(wǎng)絡(luò)控制模塊電路如圖3所示。其中，P1為帶網(wǎng)絡(luò)變壓器的RJ45插座，通過網(wǎng)線與網(wǎng)絡(luò)連接；P2插針用于模塊供電以及和單片機(jī)連接。W5500正常工作時(shí)，需提供3.3 V數(shù)字電源，VDD（28腳）對(duì)GND（29腳）；3.3 V模擬電源，AVDD（4/8/11/15/17/21腳）對(duì)AGND（3/9/14/16/19/48腳）。為方便與外部不同工作電壓的單片機(jī)控制系統(tǒng)配合工作，本模塊可通過P2插針輸入+5 V或3.3 V電壓供電。當(dāng)外部輸入電壓為+5 V時(shí)，+5 V電源經(jīng)低壓差電壓調(diào)節(jié)器U1 LM1117-3.3轉(zhuǎn)換為+3.3 V電壓輸出，對(duì)整個(gè)模塊供電，并可通過P2插針的+3 V 3D引腳給其它模塊提供3.3 V電源。

W5500的XI（30腳）、XO（31腳）為時(shí)鐘引腳，共外接25 MHz石英晶體振蕩電路；RSTn（37腳）為復(fù)位引腳，低電平有效，和單片機(jī)I/O引腳連接，由單片機(jī)控制W5500進(jìn)行復(fù)位；PMODE2（43腳）、PMODE1（44腳）、PMOD0（45腳）為網(wǎng)絡(luò)工作模式選擇引腳，設(shè)置為“所有功能，啟動(dòng)自動(dòng)協(xié)商”；EXRES1（10腳）為外部參考電阻引腳，外接一個(gè)精度為1%的12.4 kΩ外部參考電阻，為內(nèi)部模擬電路提供偏壓；TOCAP（20腳）為外部參考電容引腳，外接一個(gè)4.7 μF電容，而且到該電容的走線要盡量短一些，以保證內(nèi)部信號(hào)的穩(wěn)定；1V2O為內(nèi)部穩(wěn)壓器1.2 V電壓輸出引腳，外接一個(gè)10 nF電容；TXN（1腳）、TXP（2腳）為差分信號(hào)發(fā)送引腳；RXN（5腳）、RXP（6腳）為差分信號(hào)接收引腳；SCSn（32腳）為W5500的SPI接口片選引腳，低電平有效；SCLK（33腳）為SPI時(shí)鐘輸入引腳；MISO（34腳）為SPI主機(jī)輸入從機(jī)（W5500）輸出引腳；MOSI（35腳）為SPI主機(jī)輸出從機(jī)（W5500）輸入引腳；INTn（36腳）為W5500中斷輸出引腳，低電平有效。

2.2 單片機(jī)及繼電器控制模塊

W5500利用硬件實(shí)現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議棧，大大降低了主控芯片負(fù)載，使得應(yīng)用廣泛的8位單片機(jī)也能順利完成以太網(wǎng)接入。本方案采用我國宏晶科技公司最新推出的內(nèi)置高速SPI接口的增強(qiáng)型8051單片機(jī)STC15F2K60S2作為主控芯片。

2.2.1 STC15F2K60S2簡介

STC15F2K60S2 單片機(jī)采用1T（1時(shí)鐘周期/機(jī)器周期）增強(qiáng)型8051內(nèi)核，速度比傳統(tǒng)8051單片機(jī)快7～12倍，也比STC早期的1T系列單片機(jī)（如STC12/11/10系列）快20%；內(nèi)置大容量2 KB的RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，1 KB的Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，60 KB的Flash程序存儲(chǔ)器；具有3個(gè)16位可自動(dòng)重裝的定時(shí)/計(jì)數(shù)器（T0/T1/T2），1個(gè)高速SPI，8通道10位ADC等資源。并且，它內(nèi)部集成高精度R/C時(shí)鐘（±0.3%），頻率從5 MHz～35 MHz可選（相當(dāng)于傳統(tǒng)8051：60 MHz～420 MHz），可徹底省掉外部昂貴的晶振；內(nèi)部集成高可靠復(fù)位電路，ISP編程時(shí)8級(jí)復(fù)位門檻電壓可選，可徹底省掉外部復(fù)位電路；具有在系統(tǒng)編程（In System Programming，ISP）功能，無需專用編程器[3]。

2.2.2 單片機(jī)及繼電器控制模塊電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)及繼電器控制模塊電路如圖4所示。STC15F2K60S2單片機(jī)控制電路省略了傳統(tǒng)8051單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)中所必需的外部晶振、外部復(fù)位電路，提供+5 V電源單片機(jī)即可工作，外圍電路非常簡潔。在電源+5 V和GND之間就近加上電源去耦電容C21（10μF）、C22（0.1μF），可去除電源線噪聲，提高抗干擾能力。P3為單片機(jī)ISP接口，便于采用USB轉(zhuǎn)TTL電平的串口下載線進(jìn)行系統(tǒng)軟件的升級(jí)；P4為單片機(jī)SPI接口，用于和W5500芯片通信。

系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了兩路繼電器控制電路，可用于控制外部開關(guān)量。繼電器的驅(qū)動(dòng)電路由三極管Q1、Q2組成，Q1、Q2起功率放大作用。繼電器K1、K2分別由單片機(jī)的P2.7、P2.6引腳控制。繼電器K1、K2的常開、常閉觸點(diǎn)分別經(jīng)接線端子P5、P6引出。

3 軟件設(shè)計(jì)

通過W5500利用TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)繼電器遠(yuǎn)程控制的單片機(jī)程序采用C語言編寫，主程序流程圖如圖5所示。

在主程序中，首先進(jìn)行單片機(jī)的SPI接口和W5500模塊的初始化，然后檢查W5500是否接收到數(shù)據(jù)。若接收到數(shù)據(jù)，則單片機(jī)讀取W5500的數(shù)據(jù)接收存儲(chǔ)器，并根據(jù)讀取到的命令對(duì)繼電器進(jìn)行控制。在計(jì)算機(jī)端發(fā)送命令“open+RLY_K1”或者“open+RLY_K2”打開繼電器K1和K2，發(fā)送命令“close+RLY_K1”或者“close+RLY_K2”則關(guān)閉繼電器K1和K2。各程序模塊主要工作包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容。

3.1 SPI接口初始化

STC15F2K60S2單片機(jī)通過SPI接口與W5500進(jìn)行通信，對(duì)W5500所有的操作都需要通過SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在對(duì)W5500進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸之前，要先對(duì)STC15F2K60S2的SPI接口的相關(guān)寄存器進(jìn)行設(shè)置，即SPI接口的初始化。STC15F2K60S2單片機(jī)SPI接口的初始化包括以下幾點(diǎn)：

通過SPI控制寄存器SPCTL設(shè)置：忽略引腳，SPI使能，數(shù)據(jù)字的最低位（LSB）最先傳送，設(shè)置為主機(jī)，SPI空閑時(shí)SCK=1，數(shù)據(jù)在SCK的前時(shí)鐘沿驅(qū)動(dòng)到SPI口線，SPI模塊在后時(shí)鐘沿采樣。

清0寄存器SPSTAT中的標(biāo)志位SPIF和WCOL（向這兩個(gè)標(biāo)志位寫1即可清0）。

開放SPI中斷（IE2中的ESPI=1，IE2寄存器不能位尋址，可使用“或”指令進(jìn)行設(shè)置）。

開放總中斷（IE中的EA=1）。

3.2 W5500初始化

在使用W5500之前，首先應(yīng)對(duì)其進(jìn)行初始化，正確設(shè)置以下寄存器：模式寄存器（MR）、中斷屏蔽寄存器（IMR）、重發(fā)時(shí)間寄存器（RTR）、重發(fā)次數(shù)寄存器（RCR）、本機(jī)硬件地址寄存器（SHAR）、網(wǎng)關(guān)地址寄存器（GAR）、子網(wǎng)掩碼寄存器（SUBR）、本機(jī)IP地址寄存器（SIPR）以及設(shè)置Socket存儲(chǔ)器信息。初始化過程結(jié)束后，W5500可以以TCP、UDP、IPRAW和MACRAW的模式打開Socket，以進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

3.3 接收數(shù)據(jù)

接收數(shù)據(jù)時(shí)，需要檢查寄存器Sn_RX_RSR，檢查數(shù)據(jù)是否已經(jīng)被接收到：如果Sn_RX_RSR的值大于0，則說明接收到的數(shù)據(jù)在接收存儲(chǔ)器（RX buffer）中，然后通過讀取RX讀指針寄存器（Sn_RX_RD0）獲取數(shù)據(jù)地址，然后將數(shù)據(jù)從W5500接收存儲(chǔ)器中讀出，并存放到單片機(jī)端的接收緩沖區(qū)RX_BUF數(shù)組中。

圖5 單片機(jī)主程序流程圖

3.4 讀取命令，控制繼電器

通過查找RX_BUF數(shù)組中是否包含有“open+RLY_K1”、“open+RLY_K2”、“close+RLY_K1”或者“close+RLY_K2”命令，并根據(jù)讀取到的命令，通過控制單片機(jī)P2.7、P2.6引腳電平的高低對(duì)繼電器K1、K2進(jìn)行開關(guān)控制。

3.5 清空接收緩沖區(qū)

清空單片機(jī)端的接收緩沖區(qū)RX_BUF數(shù)組，為接收下一個(gè)控制命令做好準(zhǔn)備。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在計(jì)算機(jī)端打開 “TCP&UDP測試工具”，點(diǎn)擊“創(chuàng)建連接”，選擇類型為“TCP”，目標(biāo)IP為W5500的本機(jī)IP地址，端口為W5500的Socket0的端口號(hào)，本機(jī)端口設(shè)置為“隨機(jī)選擇端口”，完成客戶端的創(chuàng)建；連接好網(wǎng)線，給單片機(jī)控制模塊、W5500網(wǎng)絡(luò)控制模塊上電，點(diǎn)擊“TCP&UDP測試工具”上的“連接”，客戶端（計(jì)算機(jī)端）與服務(wù)端（W5500模塊）連接成功；通過“TCP&UDP測試工具”分別發(fā)送“open+RLY_K1”、“open+RLY_K2”、“close+RLY_K1”、“close+RLY_K2”等命令，能正確控制對(duì)應(yīng)的繼電器接通斷。

5 結(jié) 語

本文提出了基于STC15F2K60S2+W5500的繼電器遠(yuǎn)程控制方案，并給出了各電路模塊詳細(xì)的電路圖和單片機(jī)主程序流程圖。通過網(wǎng)絡(luò)，對(duì)繼電器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，再由繼電器控制其他設(shè)備，便可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。在需要遠(yuǎn)程控制的設(shè)備數(shù)量較多的應(yīng)用場合中，還可以根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案增加繼電器的路數(shù)來實(shí)現(xiàn)。該方案工作可靠、網(wǎng)絡(luò)安全性高、性價(jià)比高，在智能樓宇、智能家居等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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