二十三、W5100S/W5500+RP2040树莓派Pico＜Web I/O 通过网页控制板载LED灯＞

1 前言

  Web只是一个静态的文本和图像的展示平台，随着技术的不断发展和普及，Web逐渐演变为一个集文本、图像、音频、视频等多种媒体于一体的多媒体平台，并且开始支持动态内容和交互性。

  W5100S/W5500是一款集成全硬件 TCP/IP 协议栈的嵌入式以太网控制器，同时也是一颗工业级以太网控制芯片。本教程将介绍W5100S/W5500以太网DHCP应用的基本原理、使用步骤、应用实例以及注意事项，帮助读者更好地掌握这一技术。

2 简介

2 .1 什么是Web？

  Web（World Wide Web）即全球广域网，也称为万维网。它是一种基于超文本和HTTP的、全球性的、动态交互的、跨平台的分布式图形信息系统。建立在Internet上的一种网络服务，为浏览者在Internet上查找和浏览信息提供了图形化的、易于访问的直观界面，其中的文档及超级链接将Internet上的信息节点组织成一个互为关联的网状结构。

2.2 Web的优点

  Web的特点主要包括以下几个方面：

1. 图形化和易于导航：Web页面可以包含色彩丰富的图形和文本，使得用户可以更加直观地获取信息。同时，Web也易于导航，用户可以通过超链接在不同的页面之间跳转。
2. 与平台无关：Web通过浏览器来实现，与操作系统、硬件平台等无关，使得任何人都可以在任何设备上访问Web。
3. 分布式：Web上的信息可以分布在不同的服务器上，用户可以通过浏览器访问不同的站点获取信息。这种分布式结构使得Web可以存储和处理大量的信息。
4. 动态和实时：Web站点可以随时更新信息，用户可以通过浏览器实时获取最新的信息。
5. 交互性：Web支持用户与服务器之间的交互，用户可以通过表单、评论等方式提交信息，服务器可以根据用户需求返回相应信息。

2.3 Web数据交互原理

1. 日常应用中，看到的大部分网页上面的静态信息，或是视频或音频文件。但在物联网中，常见的要求是Web数据能有变化。目前。最常用的HTML1.1中只是定义一次请求响应后就断开连接、直观来说就是，如果不刷新浏览器，网页的数据就不会变化。
2. 随着网页需要的内容越来越丰富，纯文本HTML描述的静态内容已不能满足使用。于是，基于HTML的标记扩展，网页中开始嵌入浏览器运行的语言。java-script是一种脚本语言，它采用小程序段的方式实现编程。它的基本结构形式与C、C++、VB、DELPHI十分类似，但它并不需要编译，而是在程序运行过程中逐渐给出注释
3. 下面使用JSON，它是一种轻量级的数据交换格式，非常适合于服务器与javascript的交互。在JSON程序中，一个新的HTTP请求被发送到服务器，请求所需的数据信息；获得回复后，在网页上的脚本在不刷新网页的情况下更新数据显示。

2.4 Web应用场景

1. Web的应用场景非常广泛，以下是一些常见的应用场景：
   1. 电子商务：Web使得电子商务成为可能，通过网站和在线商店，商家可以向全球范围内的消费者销售产品和服务。消费者可以在线浏览和购买商品，商家可以管理库存和订单。
   2. 社交媒体：社交媒体网站是Web上最流行的应用之一，用户可以在这些平台上分享和交流信息，发布照片和视频，参与讨论和投票等。
   3. 在线学习：Web使得在线学习成为可能，用户可以在网上查找和浏览各种学习资源，如在线课程、电子书、教程等。
   4. 在线娱乐：Web提供了大量的在线娱乐资源，如音乐、电影、游戏、动画等。用户可以在网上观看电影、听音乐、玩游戏、阅读电子书等。
   5. 物联网：物联网技术可以将物理设备连接到互联网，使得用户可以通过Web远程控制和管理这些设备，如智能家居、智能健康等。
   6. 远程工作：Web使得远程工作成为可能，用户可以在任何地方通过互联网访问公司内部网络和资源，如在线办公系统、视频会议等。
   7. 在线新闻：在线新闻网站提供了实时的新闻报道和信息更新，用户可以在网上查看最新的新闻和时事。
   8. 搜索引擎：搜索引擎是Web上最常用的工具之一，用户可以通过搜索引擎查找和搜索信息，如网页、图片、视频等。

3 WIZnet以太网芯片

WIZnet 主流硬件协议栈以太网芯片参数对比

Model	Embedded Core	Host I/F	TX/RX Buffer	HW Socket	Network Performance
W5100S	TCP/IPv4， MAC & PHY	8bit BUS, SPI	16KB	4	Max.25Mbps
W6100	TCP/IPv4/IPv6, MAC & PHY	8bit BUS, Fast SPI	32KB	8	Max.25Mbps
W5500	TCP/IPv4, MAC & PHY	Fast SPI	32KB	8	Max 15Mbps

1. W5100S/W6100 支持 8bit数据总线接口，网络传输速度会优于W5500。
2. W6100 支持IPv6，与W5100S 硬件兼容，若已使用W5100S的用户需要支持IPv6，可以Pin to Pin兼容。
3. W5500 拥有比 W5100S更多的 Socket数量以及发送与接收缓存。

4 HTTP网络设置示例概述以及使用

4.1 流程图

  程序的运行框图如下所示：

4.2 准备工作核心

软件

• Visual Studio Code
• WIZnet UartTool

硬件

• W5100SIO模块 + RP2040 树莓派Pico开发板 或者 WIZnet W5100S-EVB-Pico开发板
• Micro USB 接口的数据线
• TTL 转 USB
• 网线

4.3 连接方式

• 通过数据线连接PC的USB口（主要用于烧录程序，也可以虚拟出串口使用）

• 通过TTL串口转USB，连接UART0 的默认引脚：

  • RP2040 GPIO0（UART0 TX） <----> USB_TTL_RX
  • RP2040 GPIO1（UART0 RX） <----> USB_TTL_TX

• 使用模块连接RP2040 进行接线时

  • RP2040 GPIO16 <----> W5100S MISO
  • RP2040 GPIO17 <----> W5100S CS
  • RP2040 GPIO18 <----> W5100S SCK
  • RP2040 GPIO19 <----> W5100S MOSI
  • RP2040 GPIO20 <----> W5100S RST

• 通过PC和设备都通过网线连接路由器LAN口

4.4 主要代码概述

  我们使用的是WIZnet官方的ioLibrary_Driver库。该库支持的协议丰富，操作简单，芯片在硬件上集成了TCP/IP协议栈，该库又封装好了TCP/IP层之上的协议，我们只需简单调用相应函数即可完成协议的应用。

第一步：webio.c文件中加入对应的.h文件。

第二步：定义DHCP配置需要的宏和HTTP sever 最大连接socket的宏。

第三步：网络信息的配置,开启DHCP模式，定义HTTP sever socket表。

第四步：编写定时器回调处理函数，用于 DHCP 1秒嘀嗒定时器处理函数。

第五步：主函数先是定义了一个定时器结构体参数用来触发定时器回调函数，对串口和SPI进行初始化，然后写入W5100S的网络配置参数，初始化DHCP后开始DHCP获取IP，获取到就打印获取到的IP，获取次数超过最大获取次数时就使用静态IP，初始化HTTP sever后开始设置服务器显示界面，分别设置了开发板的参数显示、图片已经控制灯的开关，主循环传入socket号执行回环测试函数等待客户端连接。

#include 
#include "pico/stdlib.h"
#include "pico/binary_info.h"
#include "hardware/spi.h"

#include "wizchip_conf.h"
#include "bsp_spi.h"
#include "dhcp.h"     // Use dhcp
#include "socket.h"   // Use socket
#include "arp.h"      // Use arp

#define SOCKET_ID 0                      // Socket number
#define ETHERNET_BUF_MAX_SIZE (1024 * 2) // Send and receive cache size
#define DHCP_RETRY_COUNT 5               // DHCP retry times


/**
 * @brief   Timer callback processing function, used for dhcp timing processing
 * @param   repeating :Timer structure
 * @return  bool
 */
bool repeating_timer_callback(struct repeating_timer *t);

/**
 * @brief   Initialization of chip network information
 * @param   conf_info :Static configuration information
 * @return  none
 */
void network_init(wiz_NetInfo *conf_info);

/* Network information to be configured. */
wiz_NetInfo net_info = {
    .mac = {0x00, 0x08, 0xdc, 0x1e, 0xed, 0x2e}, // Configured MAC address
    .ip = {192, 168, 1, 10},                     // Configured IP address
    .sn = {255, 255, 255, 0},                    // Configured subnet mask
    .gw = {192, 168, 1, 1},                      // Configured gateway
    .dns = {8, 8, 8, 8},                         // Configured domain address
    .dhcp = NETINFO_DHCP};                       // Configured dhcp model,NETINFO_DHCP:use dhcp; NETINFO_STATIC: use static ip.


static uint8_t ethernet_buf[ETHERNET_BUF_MAX_SIZE] = {
    0,
};                                           // Send and receive cachestatic uint8_t destip[4]={192, 168, 1, 2};  // udp destination ip
static uint8_t dest_ip[4] = {192, 168, 1, 2}; // UDP IP address
static uint8_t breakout_flag = 0;         // Define the DHCP acquisition flag

int main()
{
    struct repeating_timer timer; // Define the timer structure
    wiz_NetInfo get_info;
    /* MCU init */
    stdio_init_all();     // Initialize the main control peripheral
    wizchip_initialize(); // Initialize the chip interface

    /*dhcp init*/
    DHCP_init(SOCKET_ID, ethernet_buf);                                   // DHCP initialization
    add_repeating_timer_ms(1000, repeating_timer_callback, NULL, &timer); // Add DHCP 1s Tick Timer handler

    printf("wiznet chip tcp server example.\r\n");
    network_init(&net_info);              // Configuring Network Information
    print_network_information(&get_info); // Read back the configuration information and print it

    while (true)
    {
        do_arp(SOCKET_ID, ethernet_buf, dest_ip);   //run arp
    }
}

void network_init(wiz_NetInfo *conf_info)
{
    int count = 0;
    uint8_t dhcp_retry = 0;

    if (conf_info->dhcp == NETINFO_DHCP)
    {
        while (true)
        {
            switch (DHCP_run()) // Do the DHCP client
            {
            case DHCP_IP_LEASED: // DHCP resolves the domain name successfully
            {
                if (breakout_flag == 0)
                {
                    printf("DHCP success\r\n");
                    getIPfromDHCP((*conf_info).ip);
                    getGWfromDHCP((*conf_info).gw);
                    getSNfromDHCP((*conf_info).sn);
                    getDNSfromDHCP((*conf_info).dns);
                    wizchip_setnetinfo(conf_info); // Configuring Network Information
                    close(SOCKET_ID);              // After dhcp close the socket, avoid errors in later use
                    breakout_flag = 1;
                }
                break;
            }
            case DHCP_FAILED:
            {
                printf(" DHCP failed \r\n");
                count++;
                if (count <= DHCP_RETRY_COUNT) // If the number of times is less than or equal to the maximum number of times, try again
                {
                    printf("DHCP timeout occurred and retry %d \r\n", count);
                }
                else if (count > DHCP_RETRY_COUNT) // If the number of times is greater than DHCP fails
                {
                    breakout_flag = 1; // if DHCP fail, use the static
                    DHCP_stop();       // Stop processing DHCP protocol
                    conf_info->dhcp = NETINFO_STATIC;
                    wizchip_setnetinfo(conf_info); // Configuring Network Information
                    break;
                }
                break;
            }
            }
            if (breakout_flag)
            {
                printf("config succ\r\n");
                break;
            }
        }
    }
    else
    {
        wizchip_setnetinfo(conf_info); // Configuring Network Information
    }
}

bool repeating_timer_callback(struct repeating_timer *t)
{
    DHCP_time_handler(); // DHCP 1s Tick Timer handler
    return true;
}

4.5 结果演示

1.打开WIZ UartTool，填入参数，按下复位键可以看到串口打印DHCP获取到的信息，这时灯的状态是不亮的。

2.打开浏览器输入开发板获取到的IP，连接上开发板。

3.进入控灯界面对灯进行控制，可以看到串口上会收到pc发来的指令，并作出响应，然后灯亮。

5 注意事项

• 如果想用WIZnet的W5500来实现本章的示例，我们只需修改两个地方即可：

​ (1)在library/ioLibrary_Driver/Ethernet/下找到wizchip_conf.h这个头文件，将_WIZCHIP_ 宏定义修改为W5500。

​ (2)在library下找到CMakeLists.txt文件，将COMPILE_SEL设置为ON即可，OFF为W5100S，ON为W5500。

6 相关链接

WIZnet官网

WIZnet官方库链接

本章例程链接

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