最近，Arduino软件和硬件复合体变得非常流行，其目的是开发各种有趣的电子设计。 通过将Arduino底板与所需的其他模块连接来进行设计。 在Arduino底板上有一个微控制器，其固件是在Arduino的特殊开发环境中编写的，通常使用一个或另一个模块的现成库。
其中一个模块-W5500-用于制造将连接到Internet的电子结构。 在这种情况下，大多数情况下，它意味着对其结构进行远程控制。 例如，它可以是“智能家居”，机器人等。 最琐碎的项目（Hello world除外）是通过Web浏览器远程包含LED（图1）。 如果连接了晶体管开关和继电器而不是LED，则可以切换功率更大的负载。 因此，从本质上讲，该设计的程序（固件）是处理来自远程用户的http请求的Web服务器。
图 1.通过浏览器管理LED。W5500模块基于W5500芯片本身及其主体套件，以及通过SPI用于MK的BLS连接器，用于连接至计算机网络的RJ-45连接器以及3.3 V的线性稳压器（图2）。
图 2. W5500模块。W5500芯片是一款成熟的控制器，可集成处理从以太网到TCP的整个网络协议堆栈（图3）。 实现基于该芯片的设计，程序员无需编写TCP / IP协议处理代码，仅实现将嵌入在TCP中的应用层协议就足够了。 在上面的示例（在Arduino上）中，http被用作应用程序协议。
图 3. W5500芯片的结构。在不使用Arduino的情况下，我决定详细研究W5500芯片的文档，并基于Atmega8微控制器独立实现该程序。 该程序将不包含http处理程序。 需要使用远程终端通过TCP协议实现最简单的（RAW）数据交换。 正如本文标题所说，谈论Telnet协议并不完全准确。 它基于有关终端参数的附加信息的交换具有自己的特定功能。 但是，大多数telnet客户端都支持RAW，并且不需要以上内容。 因此，Atmega8 MK程序将不包含应用程序级协议处理程序。 她将仅处理W5500的初始化，套接字管理，数据接收和传输。
该设计的主要应用是通过远程终端进行设备管理。 在这种情况下，设计通过UART接口（三线GND，TxD，RxD）连接到受管设备。 在没有图形界面的情况下，通过终端进行管理是特定区域中的经典专业方法。 例如，Windows或Linux命令行，或使用Telnet协议通过终端配置路由器的方法。 最后一个示例实际上等效于本文中讨论的想法。
开发该设备或该设备时，如有必要，我设想通过一个通过UART接口连接的终端用文本命令控制它。 这可以通过MAX232适配器芯片连接到常规PC到RS-232 COM端口，也可以通过PL2303芯片连接到USB（虚拟COM端口）。 您可以使用标准的超级终端程序作为终端。 随着Android智能手机的普及，通过蓝牙进行连接变得很方便：将蓝牙模块（例如HC-06）连接到设备的UART接口，并且将智能手机无线连接到该模块。 互联网上有许多通过蓝牙实现终端的应用程序。 因此，您可以在短距离内通过手机从终端通过蓝牙控制设备。 本文讨论的设计使您可以使用Internet通过终端实现控制。 终端可以是Windows XP附带的标准超级终端，也可以从Windows命令行运行telnet实用程序并在其中运行。 如果我们正在谈论智能手机，那么您可以选择Android上的一种应用程序（也有很多）（图4）。
图 4. Google Play上“ TCP终端”的应用程序。W5500芯片具有8个独立的插槽，每个插槽都有一个内存，用于接收和传输2 KB以上的信息。 总计，用于接收的总内存为16 KB，用于传输信息的总内存为16 KB。 这些参数是默认使用的，但是如果需要，在芯片初始化阶段，可以通过套接字重新分配内存。 此处描述的应用程序将使用默认的内存设置，并且涉及所有8个插槽。 每个套接字在其初始化阶段都分配了很多参数，其中主要是其操作模式和TCP端口。 我们需要的所有八个套接字的操作模式是TCP服务器模式。 您必须为每个套接字分配不同的端口。 我使用了八个连续的端口，例如从4000开始。在W5500模块的初始化阶段，为它分配了连接到Atmega8 MK程序的网络参数：IP地址，子网掩码，网关的IP地址，甚至是物理MAC地址。 W5500的网络设置必须与它所连接的家庭网络的设置匹配。 当远程连接到我们描述的设备时，终端设置将指示主机地址（IP地址或域名）和端口。 主机地址是指W5500设备，端口是指设备中的插槽。 一个插槽只能使用一个连接。 因此，可以进行八个独立的同时连接。 图5显示了标准HyperTerminal程序中与IP地址192.168.0.111到W5500（端口4000）的W5500的连接参数。 要连接到全球Internet（从外部），您需要正确配置家用路由器。
图 5.通过超级终端中的TCP / IP连接。我尝试了许多不同的TCP终端应用程序，每种应用程序都有其优点和缺点。 首先，通过打包TCP数据包的方法，可以区分两种情况。 在第一种情况下，当在终端中输入字符时，将立即生成TCP数据包并将其发送到服务器。 因此，每个数据包的数据字段占用1个字节，并包含用户输入的字符。 超级终端程序仅在此模式下工作。 在第二种情况下，字符集（命令）被输入到单独的文本字段中，并且当您单击“发送”按钮时，仅形成一个带有数据字段的数据包，其内容是用户输入的字符集。 此类数据包的数据字段大小（以字节为单位）与输入的字符数一致。 第二种情况是最优选和方便的，并且在交通方面是经济的。 我们的设计适用于两种情况，将远程用户从任何套接字输入的所有字符传输到UART MK Atmega8的输出（TxD）。
至于从服务器到客户端的信息传输的组织，这里也有自己的特点。 一旦在RxD UART MK分支上收到一个字节（字符），就可以使MK程序也直接生成一个单字节TCP数据包。 您可以通过存在一个特殊的附加信号来创建从一组传入字节到MK的TCP数据包，该信号仅在从所连接的设备传输序列时才存在（打包信号）。 顺便说一句，在将RS-232转换为半双工RS-485接口的情况下，该信号用于将MAX485切换为传输。 但是，正如我深信的那样，使用计时器最方便，即 一个小的延迟，在此期间将执行字符接收和TCP数据包的形成。 这是我在所述构造中实现的方法。 它的工作原理如下。 计时器（时间设置约为0.3秒）在第一个字符到达时启动，并在每个下一个字符到达UART MK时复位。 如果在指定的时间内没有字符到达，则形成一个带有接收到的字符的数据包，并将其发送给客户端，然后计时器停止。 在我的特定情况下，客户端连接到的所有套接字上都有大量邮件。
现在将涉及隐私。 所描述的远程终端不受使用流量分析器的窃听保护。 甚至Telnet协议本身也不提供密码验证和加密。 为此，还有其他现代的远程终端协议。 对于Telnet和RAW（没有应用程序协议），您可以实现一种间接的密码验证方法，这种方法仅在有意干预的情况下无效。 但是，这种授权方法将防止不受控制的“左”流量。 它可能来自间谍软件，通过对已知提供商的IP地址范围和端口范围进行分类，它们可以突然连接到我们的设备（如果它“侦听”来自Internet的连接）。 在固件中，我实现了一个客户端欢迎页面（如果该页面已连接到服务器），即 基于W5500模块的设计。
欢迎页面包含有关客户端的IP地址，套接字号（用于监视）和输入密码请求的信息（图6）。
图 6. W5500服务器的欢迎页面。在MK程序内部连接后，将启动一个计时器（约18秒钟），在此期间，用户必须有时间输入特定的密码（在所有套接字上都相同）。 如果密码输入错误，则在设置的时间过后，用户会通知相应的消息，并且服务器将断开连接（图7）。
图 7.报告错误的密码。在正确输入密码的情况下，还会向用户显示相应的消息（图8）。 之后，在远程终端和MK的UART接口之间建立一个“透明”桥，W5500模块通过SPI连接到该接口。 仅在用户团队级别测试了这种桥接器的操作。 如果在某些情况下客户端应用程序不是用户终端而是其他程序，则可能无法保证全面的高速数据交换。 甚至更重要的是，所描述的设计不能保证（更确切地说，不提供）全双工数据交换。
图 8.关于正确密码的消息。输入密码后，用户不会将他们输入的字符返回到终端，并且“退格”也不起作用（回退时输入的字符不正确）。 密码长度为8个字符。 MK程序扫描从客户端收到的前8个字符，而不管它们在TCP数据包上的分布如何。 但是任何数据包都不得超过10个字节。 顺便说一下，超级终端中的“发送文本文件”功能非常有趣。 正如使用流量分析仪检查的那样，执行此功能时，会形成两个TCP数据包：第一个数据字节为1字节的数据包包含已传输文本文件的第一个字符，第二个数据包包含其余内容。
服务器提供两个不同的密码。 如上所述，一个密码用于建立TCP-UART网桥（正常使用），第二个密码用于控制W5500模块或其他设计参数。 如果输入此密码，将向用户显示另一个欢迎页面，然后他进入控制模式。 我故意提供了这种模式仅在其中一个空闲插槽上可行。 如果具有此模式的套接字正忙，并且尝试在另一个套接字上登录到该模式，则服务器将立即断开连接。 休息之前，将显示一条有关在控制模式下已经工作（忙）的套接字号的消息（图9）。
控制模式提供了我已定义的命令，可通过输入help命令查看其列表。 该命令应以换行符（Enter键）结尾。 此外，如果控制模式处于活动状态，则W5500服务器会将服务消息发送到终端，例如，有关将客户端连接到具有其IP地址的其他套接字或空闲套接字的服务消息。 图10演示了上述内容。 球队名单尚未完成，将随着时间的流逝进行补充。
图 9.输入控制模式密码时，有关套接字繁忙的消息。图 10. W5500控制模式。echo命令禁用或启用将打印的字符返回到终端（自我监视）。 以下两个命令用于读取和写入W5500芯片的地址寄存器。 地址的寄存器值在W5500芯片的文档中指出。 我介绍了这些通用命令，主要用于调试。 rl命令立即重新启动之后指示的套接字号。 同样，sr命令读取套接字的状态，并将其值作为十六进制数字给出。 “ ens”命令给出每个套接字的状态表：状态“ 0”-套接字空闲，正在等待客户端，状态“ 1”-正常使用的套接字，状态“ 2”-处于控制模式的套接字。 您可以输入更多的命令。 打开设备电源时，在初始化阶段更改适合芯片的参数（例如，网络参数），将其存储在MK的非易失性存储器中将很有用。 输入特殊的命令来控制其他可用的MK引脚也可能很有用。 例如，“ PC0 = 1”，“ PC2 = 0”等。 确保需要配置命令UART接口MK。
考虑一下MK程序工作的更多细节。 除了上述定时器外，还激活了一个定时器，因此每约半分钟激活一次，即所谓的 TCP控制数据包“保持活动”。 在没有用户数据交换的情况下验证连接是必要的。 如果由于某种原因在W5500内设置的一定时间内没有来自客户端的确认，则所谓 超时，套接字将重新启动。 例如，由于数据链路或物理层的断开，连接可能突然丢失：拔出以太网电缆，断开Internet连接或丢失Wi-Fi连接等。
根据W5500芯片的文档（数据表），以下功能在程序代码中实现。 首先，将W5500寄存器写入和读取到地址的基本功能。 顶级功能-硬件重置，芯片初始化，套接字初始化，打开套接字，监听套接字，断开和关闭套接字，发送“ keep_alive”命令，重新启动套接字。 最后一个功能是上述功能的组合：关闭，打开，收听。 大多数函数在执行后会返回套接字状态值。 最后，最基本的功能是处理接收到的信息（从RX缓冲区读取）和处理发送的信息（写入TX缓冲区）。 我从芯片制造商W5500的官方网站（
链接 ）获得了有关实现这些功能的建议。 接收功能会将从RX缓冲区接收到的数据覆盖到其自己的128字节非环形缓冲区中。 这种尺寸足以满足简单应用的需求，而Atmega8微控制器所提供的空间却很小。 W5500的TX缓冲区还从中间缓冲区传输数据，该缓冲区的大小也很小。 然后，来自UART环形缓冲区的数据进入其中。 后者是在项目创建阶段使用CodeWizardAVR实用程序在CVAVR开发环境中自动实现的。
W5500连接到MKI SPI接口（MOSI，MISO，SCK，SCLK）。 此外，RST引脚（硬件复位）连接到特定的MK输出，相应的INT引脚连接到外部中断输入INT0。 后者用于预期目的：当W5500模块中发生事件时，它将在INT引脚上产生一个脉冲，该脉冲由外部中断主体中的控制器进行处理。 MK了解事件发生在哪个套接字上，然后将每个套接字的事件代码重写为一个特定的数组。 中断的进一步处理在主程序循环内进行。 总共记录了五个事件：客户端已连接，客户端已断开连接（更确切地说，是提交了断开连接请求），已从客户端接收到数据，超时有效，数据已成功发送。 在主循环中，处理除最后一个事件以外的所有事件。 switch-case语句位于此处理中。 在第三事件的处理部分（数据接收）中找到C代码的最大部分。 在其中，在处理接收到的信息的功能之后，还放置了开关案例操作符，但是在这种情况下，此“开关”与负责上述套接字状态的变量（值0、1、2）相关联。 第一部分负责密码识别过程。 接收到的字符将在单独的密码缓冲区中被覆盖。 在某些条件下，将接收到的字符串与包含密码的常量字符串进行比较的功能起作用。
如果发生巧合，则分配相应的状态。第二部分是最简单的-它自己的接收信息缓冲区的内容被重定向到微控制器的UART。这是正常使用模式。第三部分（最大的部分）负责处理命令-设备控制模式。该程序的主循环除了继续执行中断处理程序外，还包含虚拟计时器处理程序-超时，当密码不成功时断开连接，并定期发送“保持活动状态”并将TCP计时器形成的数据包发送给客户端。从UART读取的功能也位于主循环的主体中，在该主体的主体内，控制器接收的字符被复制到其自己的（中间）传输缓冲区中，并且计时器复位，该计时器负责生成TCP数据包。所有套接字过程都放置在一个从0到7的循环中，该循环的迭代器绑定到套接字号。因此，发生了对所有套接字的顺序处理。最初，我的意思是，如果您为八个插座中的每个插座分配相同的端口号，则可以在同一端口上最多连接八个用户。但是，此配置不起作用，并且此问题已推迟到将来。在设计电路板设计时，我在DS1307芯片上提供了一个实时时钟（RTC）。 Atmega8 MK，用于11.0592 MHz频率的石英（为UART精度选择频率），用于W5500模块的连接器，MK端口连接器（包括用于固件的SPI，UART），带有自己的石英的RTC和CR2032电池仓位于两面印刷电路板上，5 V线性稳压器（7805），电源连接器等。 Sprint Layout程序中的印刷电路板草图如图11所示。唯一显示为红色的元素焊接在背面，但我将其焊接到正面。图 11.电路板示意图。完成的结构的照片如图12所示。该结构中的时钟将用于标记W5500插座发生各种事件期间的时间，如果用户以控制方式进行连接，则该时间将在消息旁边的终端中分配给用户。而且，时钟将在将来方便使用NTP时间协议进行实验或用于任何其他目的。图 12.完成结构的照片。总之，值得注意的是，内部设计在很大程度上证明了类似工业级设备的合理性。主要优点是价格。事实证明，与制成的类似设备相比，制造起来要便宜得多。并且不可避免地存在诸如功能受限的缺点。在这种情况下，由于设置了相应的简化目标，因此使用了简化的Atmega8控制器。图 13.工业转换器TCP / IP-RS-232。图13显示了一个基于W5100芯片的工业TCP / IP到RS-232转换器的示例，与W5500非常相似。除了灵活的管理界面外，它还具有另一优势。除了使用TCP / IP终端外，还可以使用设备随附的特殊驱动程序在客户端上安装虚拟COM端口。通过它，您可以使用没有TCP / IP连接模式的常规终端进行连接。此外，如果通过虚拟COM端口连接了任何程序而不是终端，则该设备可以支持完整的RS-232数据交换。也就是说，图13中描述的设备是通过网络基础架构的成熟的RS-232桥接器。