六、W5100S/W5500+RP2040之MicroPython开发＜UDP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UDP通信示例

2. 相关网络信息

2.1 简介

  UDP是User Datagram Protocol的简称，中文名是用户数据报协议，是OSI参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。

2.2 UDP通讯过程

第一步：创建UDP套接字 每个设备（我们称之为主机）首先需要创建一个UDP套接字。套接字是网络通信的端点，可以看作是发送或接收数据的门。

第二步：绑定到端口 每个UDP套接字都会绑定到一个特定的端口号。这个端口号就像是主机上的一个特定的门牌号，使得外部的数据包能够找到正确的应用程序。

第三步：发送数据 当主机需要发送数据时，它会将数据传递给UDP协议。UDP协议会在数据前面添加一个UDP头，然后将数据（现在称为“数据报”）发送到网络。

第四步：接收数据 在接收端，数据报被路由到正确的主机和端口，然后传递给相应的应用程序。

值得注意的是，UDP是无连接的，这意味着它不需要预先建立连接就可以发送数据。此外，UDP也不保证数据报的到达，也不对数据报进行排序。

2.3 优点

• 简单：UDP协议的控制选项较少，因此在数据传输过程中延迟小，数据传输效率高。
• 轻量化：UDP协议的开销更小，适合对可靠性要求不高的应用程序。
• 无连接：UDP是无连接的，这意味着它不需要预先建立连接就可以发送数据。
• 速度快：UDP协议的传输速度比TCP快，这是因为UDP协议在发送数据时，只要应用进程将数据传给UDP，UDP就会将此数据打包进UDP报文段并立刻传递给网络层。
• 实时性：UDP适合于实时数据传输，如语音和视频通信，因为它们即使偶尔丢失一两个数据包，也不会对接收结果产生太大影响。
• 支持一对一、一对多、多对多的交互通信：这是因为UDP支持广播和多播。

2.4 应用

• 实时数据传输：UDP协议适合于实时数据传输，如语音和视频通信。在物联网设备中，这种实时性尤其重要，例如在智能家居系统中，用户可能需要实时监控家中的安全摄像头，或者在工业物联网应用中，实时数据的传输对于设备的运行状态监控至关重要。
• 轻量化通信：由于UDP协议的开销小，因此它非常适合于资源受限的物联网设备，如传感器和微型控制器。
• 广播和多播通信：UDP支持广播和多播，这在物联网应用中非常有用。例如，一个中央控制器可能需要向所有连接的设备发送相同的指令，或者一个设备可能需要向所有其他设备广播其状态。
• 快速数据交换：由于UDP协议的传输速度快，因此它适合于需要快速数据交换的物联网应用，例如在智能电网或车联网中，设备之间可能需要在毫秒级别内交换数据。

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

• W5100S/W6100 支持 8bit数据总线接口，网络传输速度会优于W5500。
• 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。
• 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. UDP通信示例讲解以及使用

4.1 程序流程图

4.2 测试准备

软件：

• Thonny
• SocketTester

硬件：

• W5100S IO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
• 网线

4.3 连接方式

• 通过数据线连接PC的USB口
• 当使用W5100S/W5500 IO模块连接RP2040时
  • RP2040 GPIO 16 <----> W5100S/W5500 MISO
  • RP2040 GPIO 17 <----> W5100S/W5500 CS
  • RP2040 GPIO 18 <----> W5100S/W5500 SCK
  • RP2040 GPIO 19 <----> W5100S/W5500 MOSI
  • RP2040 GPIO 20 <----> W5100S/W5500 RST
• 通过网线直接连接PC网口（或：PC和设备都通过网线连接交换机或路由器LAN口）

4.4 相关代码

  我们直接打开udp.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：然后是打开UDP的SOCKET，并绑定到端口。最后在循环中监听有没有数据，如果有数据则回传数据。

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

local_port = 5000
nic = None

"""
W5x00 chip initialization.
 
param: None
returns: None

"""
def w5x00_init():
    global nic
    spi=SPI(0,2_000_000, mosi=Pin(19),miso=Pin(16),sck=Pin(18))
    nic = network.WIZNET5K(spi,Pin(17),Pin(20)) #spi,cs,reset pin
    nic.active(True)
    
    try:
        #DHCP
        print("\r\nConfiguring DHCP")
        nic.ifconfig('dhcp')
    except:
        #None DHCP
        print("\r\nDHCP fails, use static configuration")
        nic.ifconfig(('192.168.1.20','255.255.255.0','192.168.1.1','8.8.8.8'))#Set static network address information
    
    #Print network address information
    print("IP         :",nic.ifconfig()[0])
    print("Subnet Mask:",nic.ifconfig()[1])
    print("Gateway    :",nic.ifconfig()[2])
    print("DNS        :",nic.ifconfig()[3],"\r\n")
    
    #If there is no network connection, the register address information is printed
    while not nic.isconnected():
        time.sleep(1)
        print(nic.regs())
        
"""
UDP loop testing.
 
param: None
returns: None

"""    
def udp_loop():
    global nic
    s = usocket.socket(usocket.AF_INET, usocket.SOCK_DGRAM)
    s.bind((nic.ifconfig()[0], local_port)) #Source IP Address
    print(f"Opened UDP loopback\r\nip:{nic.ifconfig()[0]},port:{local_port}")
    time.sleep(1)
    while True:
        data,addr = s.recvfrom(2048)
        print(f'Received:{data} from:{addr}')
        s.sendto(b'%s' % data, addr)
    
def main():
    print("WIZnet chip UDP example")
    w5x00_init()
    udp_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。

第一步：将程序复制到Thonny中，然后选择环境为Raspberry Pi Pico，最后点击运行。

第二步：在网络调试助手中打开一个UDP，并连接到开发板上。

第三步：进行通信回环测试。

注意：因为MicroPython的print函数是启用了stdout缓冲的，所以有时候并不会第一时间打印出内容。

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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