四、W5100S/W5500+RP2040之MicroPython开发＜TCP Client示例＞

1 前言

  在这个智能硬件和物联网时代，MicroPython和树莓派PICO正以其独特的优势引领着嵌入式开发的新潮流。MicroPython作为一种精简优化的Python 3语言，为微控制器和嵌入式设备提供了高效开发和简易调试的

  当我们结合WIZnet W5100S/W5500网络模块，MicroPython和树莓派PICO的开发潜力被进一步放大。这两款模块都内置了TCP/IP协议栈，使得在嵌入式设备上实现网络连接变得更加容易。无论是进行数据传输、远程控制，还是构建物联网应用，它们都提供了强大的支持。

  本章我们将以WIZnet W5100S为例，以MicroPython的开发方式进行TCP_Client解析示例

2 相关网络信息

2 .1 简介

​

  TCP_Client是一种网络协议的客户端，通常用于在设备或应用程序之间建立可靠的数据连接。它通过TCP/IP协议与远程服务器建立连接，并发送请求信息。服务器接收到请求信息后，在相应的端口上提供服务并返回响应。TCP_Client将响应信息解析后，可以进行相应的处理。

  TCP_Client通常用于设备与服务器之间的数据交互，是最常用的联网通信方式之一。它具有连接和断开的概念，从而保证数据的可靠交换。

2.2 TCP_Client工作步骤

在三次握手过程中：

1. 第一次握手：客户端发送带有SYN标志的TCP报文到服务器，等待服务器的确认。
2. 第二次握手：服务器收到SYN报文后，会向客户端发送带有SYN和ACK标志的TCP报文，同时为自己初始化一个序列号，确认号设置为收到客户端SYN报文的序号加1，等待客户端的确认。
3. 第三次握手：客户端收到服务器发送的带有SYN和ACK标志的报文后，向服务器发送带有ACK标志的TCP报文，确认号设置为收到服务器SYN报文的序号加1，自己的序列号设置为收到服务器SYN报文的序号加1，进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。
4. 连接成功可进行数据交互。

在四次挥手过程中：

1. 第一次挥手：客户端发送一个FIN报文给服务器，关闭客户端到服务器的数据传送。
2. 第二次挥手：服务器收到FIN报文后，向客户端发送带有ACK标志的TCP报文，确认号设置为收到客户端FIN报文的序号加1。
3. 第三次挥手：服务器发送带有FIN标志的TCP报文给客户端，关闭服务器到客户端的数据传送。
4. 第四次挥手：客户端收到服务器发送的带有FIN标志的报文后，向服务器发送带有ACK标志的TCP报文，确认号设置为收到服务器FIN报文的序号加1。

2.3 TCP Client的优点

TCP Client的优点主要包括：

1. 可靠的连接：TCP协议是一种可靠的传输协议，它能够保证数据在传输过程中的完整性和可靠性，避免了数据丢失或重复的问题。
2. 顺序性：TCP Client的数据传输是按照发送的顺序进行接收的，保证了数据传输的顺序性。
3. 流量控制：TCP协议具有流量控制机制，能够避免发送方与接收方之间的数据传输速率不匹配的问题。
4. 拥塞控制：TCP协议具有拥塞控制机制，能够在网络拥塞时自动减慢发送速率，保证了网络通信的稳定性和可靠性。
5. 安全性：TCP协议是一种加密的协议，能够保证数据传输的安全性，避免了数据被窃取或篡改的问题。
6. 广泛的应用：TCP协议是一种通用的网络协议，可以在多种操作系统和平台上应用，具有很好的兼容性和可移植性。

2.4 应用场景

  TCP Client的应用场景非常广泛，以下是一些主要的场景：

1. 网络通信：TCP Client被广泛应用于各种网络通信中，包括但不限于远程登录、文件传输、电子邮件等。
2. 数据库连接：TCP Client常用于与数据库服务器建立连接，实现数据的传输和交互。
3. 云服务：许多云服务，如Amazon的AWS和Google的GCP，都使用TCP Client进行数据交互和远程管理。
4. 实时交易系统：在实时交易系统中，TCP Client可以提供稳定、可靠的数据传输，确保交易的顺利进行。
5. 游戏开发：在多人在线游戏中，TCP Client可以帮助实现实时的游戏状态同步和数据交互。
6. 远程控制：通过TCP Client，用户可以远程连接到其他计算机并进行控制。

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。

相较于软件协议栈，WIZnet的硬件协议栈以太网芯片有以下优点：

1. 硬件TCP/IP协议栈：WIZnet的硬件协议栈芯片提供了一种硬件实现的TCP/IP协议栈，这种硬件实现的协议栈比软件实现的协议栈具有更好的性能和稳定性。
2. 不需要额外的嵌入式系统软件栈和内存资源：由于所有的以太网传输和接收操作都由独立的以太网控制器处理，因此不需要额外的嵌入式系统软件栈和内存资源。
3. 抵抗网络环境变化和DDoS攻击：与易受网络环境变化和DDoS攻击影响的软件TCP/IP协议栈相比，硬件协议栈芯片能够提供更稳定的以太网性能。
4. 适用于低规格的嵌入式系统：即使在低规格的嵌入式系统中，使用WIZnet的硬件协议栈芯片也可以比使用软件TCP/IP协议栈的高规格系统显示出更高效的互联网应用操作性能。

4 TCP_Client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：

在这里插入图片描述

4.2 准备工作核心

软件

• Thonny
• WIZnet UartTool
• SocketTester

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

  我们直接打开TCP_Client.py文件。

第一步：可以看到在w5x00_init()函数中，进行了SPI和串口的初始化。以及将SPI相关引脚和复位引脚注册到库中，后续则是激活网络，并使用DHCP配置网络地址信息，当DHCP失败时，则配置静态网络地址信息。当未配置成功时，会打印出网络地址相关寄存器的信息，可以帮助我们更好的排查问题。

第二步：然后是进行连接远程服务器的操作，连接上服务器时，可进行数据的收发测试。

from usocket import socket
from machine import Pin,SPI,UART
import time, network

''' static netinfo
'''
ip = '192.168.1.11'
sn = '255.255.255.0'
gw = '192.168.1.1'
dns= '8.8.8.8'

netinfo=(ip, sn, gw, dns)

destip = '192.168.1.18'
destport = 8000
conn_info = (destip, destport)

''' uart0 init
    baudrate: 115200
    tx pin  : gpio0
    rx pin  : gpio1
'''
uart = UART(0, 115200, tx=Pin(0), rx=Pin(1))   
uart.init(115200, bits=8, parity=None, stop=1) 
uart.write('WIZnet chip tcp client example.\r\n')
    
def w5x00_init():
    
    ''' spi0 init
        baudrate: 2000000
        mosi pin: gpio19
        miso pin: gpio16
        sck  pin: gpio18
        cs   pin: gpio17
        rst  pin: gpio20
    '''
    spi=SPI(0,2_000_000, mosi=Pin(19),miso=Pin(16),sck=Pin(18))
    nic = network.WIZNET5K(spi,Pin(17),Pin(20))
    nic.active(True)
    # use dhcp, if fail use static netinfo
    try:
        nic.ifconfig('dhcp')
    except:
        nic.ifconfig(netinfo)
        
    print('ip :', nic.ifconfig()[0])
    print('sn :', nic.ifconfig()[1])
    print('gw :', nic.ifconfig()[2])
    print('dns:', nic.ifconfig()[3])
    uart.write('ip :{0}\r\n'.format(nic.ifconfig()[0]))
    uart.write('sn :{0}\r\n'.format(nic.ifconfig()[1]))
    uart.write('gw :{0}\r\n'.format(nic.ifconfig()[2]))
    uart.write('dns:{0}\r\n'.format(nic.ifconfig()[3]))
    
    while not nic.isconnected():
        time.sleep(1)
        print(nic.regs())
        print('no link')
        uart.write('no link\r\n')

conn_flag = False

def client_loop():
    global conn_flag
    s = socket()
    while(True):
        if(conn_flag== False):
            try:
                s.connect(conn_info) # Destination IP Address
                conn_flag=True
                print("Loopback client Connect!")
                uart.write('Loopback client connect!\r\n')
            except:
                uart.write('connect error\r\n')
                conn_flag=False
        if(conn_flag):
            try:
                data = s.recv(2048)
                data = data.decode('utf-8')
        
                if data != 'NULL' :
                    uart.write('recv from {0}:[{1}]: {2}\r\n'.format(conn_info[0],conn_info[1],data))
                    s.send(data)
            except:
                uart.write('disconnect')
                conn_flag=False
            
def main():
    w5x00_init()
    client_loop()
if __name__ == "__main__":
    main()

4.5 烧录验证

要测试以太网示例，必须将开发环境配置为使用Raspberry Pi Pico。

• 所需的开发环境
  • Thonny
• 如果你必须编译MicroPython，则必须使用Linux或Unix环境。

将代码复制到Thonny之后，选择运行环境为Raspberry Pi Pico，然后点击运行即可。打开SocketTester选择服务器开启监听等待客户端连接，有客户端连接之后发送消息可以获取到回传，打开WIZnet UartTool 打开串口，可以看到客户端发送的消息，则表示可以测试成功。

5 注意事项

• 如果采用的是WIZnet的W5500来实现本章的示例，则只需烧录W5500的固件并运行示例程序即可。

6 相关链接

WIZnet官网

本章例程链接

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