五、W5100S/W5500+RP2040之MicroPython开发＜TCP Server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_Server解析示例

2 相关网络信息

2 .1 简介

​

  TCP Server是使用TCP协议进行通信的服务器端程序。TCP是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输协议，用于在计算机网络上传输数据。TCP Server在计算机网络中扮演重要角色，它监听客户端的连接请求，并与客户端建立可靠的连接，实现数据的传输。在TCP Server中，服务器程序需要指定监听的端口号，并使用TCP协议与客户端建立连接。一旦有客户端连接进来，服务器程序就会为每个客户端建立一个单独的连接，并通过数据流对象（NetworkStream）与客户端进行数据交互。

2.2 TCP Server工作步骤

一般的TCP服务器的创建步骤：

1. 创建套接字（socket）。
2. 将套接字绑定到指定的IP地址和端口号。
3. 开始监听来自客户端的连接请求。
4. 当有客户端请求连接时，接受连接请求，并创建一个新的套接字（通常被称为子套接字）来处理与该客户端的通信。
5. 通过子套接字与客户端进行数据交换。
6. 在完成数据交换后，关闭子套接字，并继续监听其他客户端的连接请求。

2.3 TCP Server的优点

TCP Server的优点主要包括：

1. 面向连接的传输：TCP是一种面向连接的协议，它在进行数据传输前需要先建立连接。这种连接可以保证数据传输的可靠性和顺序性。
2. 可靠的数据传输：TCP提供了可靠的数据传输服务，它通过确认机制、重传机制等手段保证数据在传输过程中不会丢失或重复。
3. 全双工方式传输：TCP支持全双工方式传输，即数据可以在两个方向上同时传输，提高了传输效率。
4. 字节流方式：TCP以字节流的方式进行数据传输，这种方式可以更好地处理大量数据，并且可以控制数据的流量。
5. 紧急数据传送功能：TCP提供了紧急数据传送功能，可以在紧急情况下优先传送数据。

2.4 应用场景

  TCP Server的应用场景非常广泛，以下是一些主要的场景：

1. 电子商务平台：TCP Server可以用于电子商务平台的后端服务，处理用户的订单、支付等操作，保证交易的安全性和可靠性。
2. 在线游戏：TCP Server可以用于在线游戏的服务器端，处理游戏玩家的连接、数据交换等操作，提供稳定、高效的游戏体验。
3. 即时通讯：TCP Server可以用于即时通讯系统的服务器端，处理用户的登录、消息发送和接收等操作，保证通讯的稳定性和可靠性。
4. 远程监控：TCP Server可以用于远程监控系统的服务器端，接收和处理监控数据，提供实时的监控画面和报警信息。
5. 文件传输：TCP Server可以用于文件传输系统的服务器端，处理文件的上传和下载等操作，保证文件传输的完整性和可靠性。
6. 网络视频会议：TCP Server可以用于网络视频会议系统的服务器端，处理音视频数据的传输和处理等操作，提供稳定、流畅的会议体验。

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 TCP Server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

• 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_Server.py文件。

第一步：可以看到在w5x00_init()函数中，进行了SPI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：然后是进行客户端监听的操作，当有客户端连接时，进行数据的收发测试。

''' TCP Server example.
    date: 2023-11-23
'''
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)

localip = ''
localport = 8000
listen_info = (localip, localport)

''' 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 server example.\r\n')
    
def w5x00_init():
    global localip
    ''' 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)
    localip = nic.ifconfig()[0]
    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 server_loop():
    global localip
    global conn_flag
    while True:
        if(conn_flag == False):
            uart.write('socket open\r\n')
            s = socket()
            s.bind(listen_info) # Source IP Address and Port
            s.listen(5) # max conncet counts
            conn_flag = True
            print("TEST server Loop")
            uart.write('TCP Server:{0} ,listen port:{1}\r\n'.format(localip, listen_info[1]))
            conn, addr = s.accept()
            print('Connect from %s' % str(addr))
            uart.write('Connect from {0}:{1}\r\n'.format(addr[0], addr[1])) 
        else:
            
            try:
                
                data = conn.recv(2048)
                data = data.decode('utf-8')

                data+='\r\n'
                uart.write(data)
                if data != 'NULL':
                    conn.send(data)
            except:
                uart.write('disconnect')
                conn_flag = False
            
def main():
    w5x00_init()
    server_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选择客户端连接服务器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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