Dejan PETROVIĆ

1. septembar 2020.

Po prirodi stvari, za IoT (internet of things) se podrazumeva da određeni sistem ima izlaz u spoljni svet. To mogu biti razni podaci koje ćemo slati na server ili na neki od servisa. Naravno, komunikacija može biti i u drugom pravcu, gde ćemo slati određene komande koje će naš MCU izvršavati. Najčešći izbor je neki uz porodice ESP mikrokontrolera, ali bežična veza nam nije jedina na raspolaganju. U embedded svetu postoji i veći broj integralnih kola koja mikrokontrolerima omogućavaju da se na internet povežu putem Ethernet veze. U ovom tekstu će biti reči o nekoliko modula koje možemo koristiti u Arduino svetu i na taj način uraditi potpuno isto kao i kada bismo koristili ESP. Već smo pisali o Ethernet Shieldu (SK 1/2018, i.sk.rs/14788), pa nije zgoreg podsetiti se. Ipak, u tekstu koji sledi biće reči o modulima. Ako se razvija projekat baziran na Ethernet konekciji sa internetom, moduli su svakako bolje rešenje.

W5100

U pomenutom tekstu shield je bio zasnovan na čipu W5100. Krenućemo od modula sa istim ovim čipom, gde ćemo gledati da se ne ponavljamo previše. W5100 je stomegabitni Ethernet kontroler, koji omogućava MAC i PHY. Radi na 3,3 volta, ali su mu IO izvodi tolerantni na pet volti. Od TCP/IP protokola tu su TCP, UDP, ICMP, IPv4, ARP, IGMP i PPPoE. Sa mikrokontrolerom se povezuje putem SPI interfejsa, a preko 10-pinskog hedera koji je postavljen nasuprot LAN portu modula. Čip ima podršku za Auto-MDIX, ADSL i Auto-Negotiation. W5100 je prilično star čip, ali se i dalje može naći i možda i jedini problem u vezi sa njim je kako ga zalemiti, jer koristi 80-pinsko LQFP pakovanje. Na ploči primećujemo nekoliko LED, gde su TX i RX zadužene za saobraćaj podataka, COL će sijati ukoliko postoji kolizija. Pri full-duplex režimu će sijati FDX LED, dok će za pun stomegabitni protok sijati SPD, to jest, Link Speed LED. LINK će sijati ako je status 10/100M dobar, dok će treptati ako postoji prenos podataka. Čemu služi PWR je, naravno, jasno.

Modul na hederu ima malo razbacane pinove, čije oznake jesu jasne, ali u skraćenicama. Sa donje strane su im puni nazivi. Za naše primere koristimo Uno, koji povezujemo na sledeći način: Modul ima svoj naponski regulator, tako da ga povezujemo sa pet volti preko V+ i GND, a kojih ima dva i koji su međusobno povezani. SPI interfejs ide sledećim redom: NSS je chip select i ide na pin 10, MO(si) ide na pin 11, MI(so) na pin 12, dok SOK (clock) ide na pin 13. Tu je RST na koji, ako ga povežemo sa Arduinom, nećemo moći da prebacimo skečeve, te ga ostavljamo nepovezanog. Pinovi POE- i POE+ su, kao što im i oznaka govori, zaduženi za napajanje modula. Ovo nisu standardni PoE pinovi, jer vode do pinova 7 i 8 na LAN portu. Za celu proceduru trebalo bi napraviti odgovarajući adapter ili napraviti custom kabl, što smatramo da nije vredno truda, jer će se AMS1117 teško izboriti sa tom strujom.

Za W5xxx seriju čipova uz IDE dolazi Ethernet biblioteka sa svim neophodnim primerima. Biblioteka nudi dosta primera koji će našem Arduinu Uno omogućiti da ga koristimo i kao klijent, ali i kao server. Ako pogledamo strukturu primera, možemo videti da se ne razlikuju preterano od nekih primera koje smo opisali za porodicu ESP mikrokontrolera.

W5500

Ovaj čip je unapređena verzija W5100, sa nekim prednostima, od kojih je možda i najveća bafer od 32 kilobajta. Poređenja radi, W5100 ima 16 kilobajta. Veći bafer znači i obradu većeg broja paketa. Zatim, W5100 ima podršku za MDIX, dok ovaj to nema, što može biti problem ako će se W5500 povezivati direktno sa nekim uređajem, a ne preko rutera. W5500 je stomegabitni Ethernet kontroler koji omogućava mikrokontrolerima TCP/IP, MAC i PHY u samo jednom čipu. Wiznetov TCP/IP podržava TCP, UDP, IPv4, ICMP, ARP, IGMP i PPPoE protokole. Tu je još i podrška za osam nezavisnih soketa, Power down mode, Wake on LAN preko UDP, Auto Negotiation i High Speed SPI. Inače se kao i prethodnik sa mikrokontrolerom povezuje putem SPI interfejsa. Čip radi na 3,3 volta, ali su mu IO izvodi, kao i kod prethodnika, tolerantni na pet volti. Sam čip dolazi u 48-pinskom LQFP formatu i generalno je lakši za lemljenje čak i lemilicama.

Modul se neznatno razlikuje po dimenzijama od prethodnika. Nasuprot megabitnom LAN portu je 8-pinski heder čiji se pinout razlikuje uglavnom zbog činjenice da modul nema podršku za PoE. Sve oznake su ispod modula. Za napajanje možemo koristiti 5V i 3,3V, u zavisnosti od projekta, gde ga mi sa našim Unom povezujemo na pet volti. SPI interfejs je standardni: MISO na pin 12, MOSI na 11, SCS kao chip select na pin 10 i SCLK na 13. RST i INT ne povezujemo, kao i NC koji inače ne vodi nigde. Od LED imamo samo Power.

Ranije, pri pojavi revizije Ethernet shield-ova koji su dolazili sa W5500 se koristila Ethernet2.h biblioteka koja je sa poslednjim verzijama built-in IDE Ethernet.h biblioteke postala nepotrebna. Mi smo koristili Ethernet.h i za W5100 i za primere za nju. Naravno, probali smo i Ethernet2.h koja može poslužiti kao alternativa. Ako razmišljate o nekom projektu sa W5500, a volite da vidite gomilu LEDica, bilo iz funkcionalnih ili estetskih razloga, treba znati da ih modul nema izvedene. Međutim, W5500 ima izvode ACTLED, DUPLED, LINKLED i SPDLED, gde prilikom izrade šeme treba ispratiti tehničku dokumentaciju samog čipa.

ENC28j60

Microchipov Ethernet kontroler nosi oznaku ENC28j60 i, osim u 28-pinskom QFN, dolazi i u 28-pinskom SPDIP (SSOP, SOIC), što je mnogo pogodnije za lemljenje. Za razliku od Wiznetovih kontrolera, ovaj iz Microchipa nudi gigabitni internet. Sa mikrokontrolerom se povezuje putem brzog SPI interfejsa. Podržava full i half duplex režime, ima programabilne Automatic Retransmit on Colission, Padding and CRC Generation, Automatic Rejection Erroneous Packets. Bafer je ovde najmanji, tek osam kilobajta. Za razliku od Wiznetovih čipova, ENC28j60 nema ugrađen TCP/IP, već sve to mora biti u okviru skeča. Ovo, ujedno, znači i veće zauzeće memorije mikrokontrolera, ako se držimo Arduino okruženja. Neki PIC mikrokontroleri imaju ugrađene MAC i PHY, te ovaj nedostatak i nije nedostatak.

Modul sa ENC28j60 je sličnih dimenzija kao i Wiznetovi, uz osetno manje pratećih komponenata. Ova činjenica, uz pakovanja poput SSOP, govori u prilog lakše ugradnje Ethernet kontrolera na ploču. Header koji je, takođe, nasuprot LAN porta ovoga puta je 12-pinski (naš primerak). Oznake pinova su jedva vidljive (opet naš primerak) i potrebno je ispratiti pinout koji možete naći na mreži. Zato naš primerak dozvoljava povezivanje na pet volti, što mu omogućava naponski regulator sa donje strane, a što neki moduli nemaju. Sa našim Unom ga tako i vezujemo. SPI interfejs povezujemo na sledeći način: SCK ide na pin 13, (mi)SO ide na 12, (mo)SI na 11, s tim da je ST odštampano greškom, a na kraju CS na pin 10. Na ploči imamo samo Power LED. Sam kontroler ima izvode još i za LEDA i LEDB koje se mogu konfigurisati. Od pinova koje nismo koristili u primerima tu su WOL (wake on lan), zatim programabilni CLK(out), LNT (zapravo INT) i na kraju Q3, što je, zapravo, 3,3V. S obzirom na to koliko su izgrešili pri označavanju, strahovali smo se da li modul uopšte funkcioniše pravilno.

Za ENC28j60 nam se najbolje pokazala EtherCard.h biblioteka. Svi primeri su nam radili bez pogovora. Na mreži se mogu naći projekti pisani uz UIPEthernet.h. Nismo bili najzadovoljniji njom. EtherCard nudi preko dvadeset primera, tako da se teško može naći vid primene koji nije pokriven.

Gde ih upotrebiti?

Čipovi o kojima je ovde bilo reči se, inače, koriste u raznim STB-ovima (set top box), DVR-ovima, mrežnim memorijskim uređajima, mrežnim štampačima, kućnim mrežnim senzorima i mnogo čemu drugom. W5xxx ima blagu prednost u vidu Ethernet biblioteke koja je sastavni deo Arduino IDE. Za custom projekte, LQFN čip može biti mali problem za lemljenje, gde je možda bolji izbor ENC28j60. Ako bismo tražili direktnu razliku između dva Wiznetova čipa, treba istaći da W5100 šalje RST pakete, dok W5500 šalje RST/ACK. Ovaj potonji se, uzevši u obzir osam soketa, može upotrebiti i za veb-server. Naš lični izbor bio bi W5500, ako se radi o custom projektu, bez obzira na mnoštvo neophodnih komponenata.