劉宗銘，卓振泰，何明華*

(1.福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福州350002;2.福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州350002)

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，單個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)越來越難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，傳統(tǒng)的單片機(jī)多機(jī)互聯(lián)一般是基于RS232串行通信，該方式的通信速率較低，一般為9 600 bit/s;而且通信距離短，一般不能超過15 m［1］。如今在智能家居、控制等領(lǐng)域，以單片機(jī)為核心的各種智能監(jiān)控、測試系統(tǒng)因其高性價(jià)比等原因正得到越來越廣泛的應(yīng)用，尤其是智能家居系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的提出，將家居監(jiān)控控制系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合推向了新的高層。而智能家居的聯(lián)網(wǎng)就需要有一個(gè)高效、穩(wěn)定，主要是廉價(jià)的以太網(wǎng)接口設(shè)備［2-3］。

以太網(wǎng)是目前應(yīng)用非常廣泛的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，借助以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與Internet的數(shù)據(jù)通信，此技術(shù)適應(yīng)不同應(yīng)用場合的需求，比如可以很好地解決傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)以太網(wǎng)接口的成本問題［4］。本文將通過單片機(jī)和ENC28J60芯片實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)和Internet的數(shù)據(jù)通信，這對(duì)與嵌入智能家居系統(tǒng)的發(fā)展有著重要的作用。

1 系統(tǒng)總體框架

1.1 模塊介紹

目前市面上最小的嵌入式應(yīng)用以太網(wǎng)解決方案就是ENC28J60以太網(wǎng)控制器，它符合IEEE 802.3協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。該芯片采用10 Mbit/s的SPI(Serial Peripheral Interface)接口，內(nèi)部具有8 kbyte雙端口SRAM緩沖器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)編程信息包高效存儲(chǔ)，檢索以及修改，有利于提高系統(tǒng)的傳輸性能［5-7］。

ENC28J60是Microchip Technology(美國微芯科技公司)推出的符合IEEE 802.3協(xié)議規(guī)范的一款芯片。ENC28J60是28引腳獨(dú)立以太網(wǎng)控制器，帶有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，并集成了媒體訪問控制器和10BASE-T以太網(wǎng)物理層器件，支持全雙工和半雙工模式，可編程填充和CRC生成，可編程8 kbyte雙端口SRAM緩沖器，可配置發(fā)送/接收緩沖器的大小，具有硬件管理的循環(huán)接受FIFO。在它內(nèi)部還提供了一個(gè)DMA模塊，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速吞吐，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10 Mbit/s［8-10］。ENC28J60和主控制器的通信通過SPI接口實(shí)現(xiàn)，這使得嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口變得靈活簡單。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)圖

ENC28J60采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行接口，4條線與主控單片機(jī)連接。當(dāng)SCK為上升沿時(shí)命令和數(shù)據(jù)可通過SI引腳送入器件。在SCK的下降沿從SO引腳輸出數(shù)據(jù)。當(dāng)執(zhí)行操作時(shí)/CS引腳始終保持低電平，操作完成時(shí)恢復(fù)高電平［11］。由于主控制器運(yùn)行在5 V電壓下，當(dāng)SPI和中斷輸入由ENC28J60上的3.3 V輸出驅(qū)動(dòng)時(shí)，它可能不符合規(guī)范要求，因此需要一個(gè)單向電平轉(zhuǎn)換器。這里使用一個(gè)廉價(jià)的帶有TTL電平輸入緩沖器的5VCMOS芯片74HCT08(4與門)來提供必要的電平轉(zhuǎn)換。如圖1，是系統(tǒng)整體框圖。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的工作，主要的問題就是需要設(shè)計(jì)電源電路和復(fù)位電路。在系統(tǒng)中由于單片機(jī)工作在5 V電壓，而ENC28J60是工作在3.3 V電壓下的，為了此系統(tǒng)可以正常工作，必須給系統(tǒng)統(tǒng)一供電。因此必須設(shè)計(jì)一個(gè)5 V轉(zhuǎn)3.3 V的電源電路，在系統(tǒng)中電源電路采用專用電源芯片AMS1117-3.3，實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換。為系統(tǒng)提供所需的5 V和3.3 V工作電壓，圖2所示為系統(tǒng)電源電路。

圖2 系統(tǒng)電源電路

2.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

ENC28J60可以通過SPI方便地和微控制器連接而構(gòu)成嵌入式以太網(wǎng)通信接口，對(duì)于沒有SPI接口的微控制器也可以通過I/O口模擬SPI的方法實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)是基于 STC89C52、ENC28J60和HR911105A的以太網(wǎng)通訊卡設(shè)計(jì)。并應(yīng)用C51編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)通信。ENC28J60工作電壓為3.3 V的器件，它被設(shè)計(jì)為易于集成到5 V的系統(tǒng)中。SPI的CS、SCK和SI輸入以及RESET引腳都可以承受5 V的電壓。因?yàn)橹骺刂破鬟\(yùn)行在5 V電壓下，因此當(dāng)ENC28J60上的3.3V CMOS輸出驅(qū)動(dòng)單片機(jī)SPI模擬端口和中斷輸入口時(shí)需要一個(gè)單向電平轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)中采用74HC08芯片來實(shí)現(xiàn)3.3V到5 V的電平轉(zhuǎn)換［12］。

差分接收引腳(TPIN+/TPIN-)以及差分發(fā)送引腳(TPOUT+/TPOUT-)與集成變壓器帶中心抽頭的RJ45插座HR911105A連接，ENC28J60的內(nèi)部模擬電路需要在RBIAS引腳與地之間外接一個(gè)2 kΩ(精度為1%)電阻。為降低功耗，ENC28J60中的一些數(shù)字電路工作在2.5 V標(biāo)稱電壓下，該電壓有其內(nèi)部一個(gè)2.5 V穩(wěn)壓器以產(chǎn)生，為使之工作穩(wěn)定，需在VCAP引腳與地之間連接一個(gè)10 μF的電容。ENC28J60與主控單片機(jī)STC89C52以及相應(yīng)外部器件的連接，如圖3所示。

STC89C52單片機(jī)通過SPI和以太網(wǎng)控制器ENC28J60相連，這樣完成了單片機(jī)與以太網(wǎng)之間數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。單片利用I/O口模擬SPI接口與ENC28J60通信，并完成了對(duì)ENC28J60的控制和發(fā)送/接收緩沖區(qū)的讀寫。以太網(wǎng)接口選用帶有網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器功能的HR911105A來實(shí)現(xiàn)。LEDA和LEDB引腳支持復(fù)位時(shí)的自動(dòng)極性檢測。可以在這兩個(gè)引腳上，以拉電流或灌電流點(diǎn)亮LED的兩種方式連接LED。系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，ENC28J60將檢測LED的連接方式，并將LED驅(qū)動(dòng)為PHLCON寄存器配置的默認(rèn)狀態(tài)。如果在ENC28J60運(yùn)行時(shí)改變LED的極性，新極性將在下一次系統(tǒng)復(fù)位時(shí)才能被檢測到。復(fù)位時(shí)會(huì)自動(dòng)讀取LEDB上LED的連接狀態(tài)，并確定如何初始化PHCON1.PDPXMD位。如果引腳采用拉電流的方式點(diǎn)亮LED，則復(fù)位時(shí)此位清零且PHY默認(rèn)為在半雙工模式下運(yùn)行。如果引腳采用灌電流的方式點(diǎn)亮LED，則復(fù)位時(shí)此位置1且PHY默認(rèn)為在全雙工模式下運(yùn)行。如果LEDB引腳上沒有連接LED，則PDPXMD位將復(fù)位為不確定值。在此設(shè)計(jì)中使用的是拉電流方式點(diǎn)亮LED的。

圖3 硬件電路圖

2.3 軟件設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)是嵌人式網(wǎng)關(guān)的基礎(chǔ)，ENC28J60驅(qū)動(dòng)就是通過對(duì)其片內(nèi)存儲(chǔ)器的訪問和控制，實(shí)現(xiàn)MAC幀的發(fā)送和接收ENC28J60的片內(nèi)存儲(chǔ)器分為控制寄存器、PHY寄存器、以太網(wǎng)緩沖器。ENC28J60使用包括初始化、發(fā)送和接收。

2.3.1 ENC28J60初始化

ENC28J60初始化流程如圖4所示，過程主要包括:進(jìn)行根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)配置收發(fā)緩沖區(qū)，根據(jù)應(yīng)用配置相應(yīng)的接收過濾組合，對(duì)MAC進(jìn)行初始化設(shè)置，對(duì)PHY進(jìn)行初始化設(shè)置。在使用ENC28J60接收數(shù)據(jù)包前必須對(duì)8 kbyte雙端口SRAM緩沖器進(jìn)行初始化，因此要對(duì)接收緩沖器起始地址ERXST指針和結(jié)束地址ERXND指針編程。所有未被用作接收緩沖器的存儲(chǔ)空間都作為發(fā)送緩沖器，同時(shí)通過設(shè)置接收過濾控制寄存器ERXFCON，使能或禁止相應(yīng)的接收過濾器。系統(tǒng)上電復(fù)位后須查詢以太網(wǎng)狀態(tài)寄存器ESTAT的CLKRDY位，確保設(shè)置MAC和PHY寄存器前有足夠延時(shí)。若CLKRDY為1，表示PHY準(zhǔn)備就緒，可對(duì)MAC和PHY寄存器進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。

圖4 初始化ENC28J60流程圖

2.3.2 ENC28J60接收

接收過程主要包括接收設(shè)置與啟動(dòng)，內(nèi)部接收與過濾，數(shù)據(jù)包讀取與處理。接收啟動(dòng)后，內(nèi)部自動(dòng)進(jìn)行接收和過濾，未濾除的數(shù)據(jù)包寫人循環(huán)接收緩沖器(其存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)包括一個(gè)報(bào)頭、實(shí)際包數(shù)據(jù)、可能的填充字節(jié))并產(chǎn)生中斷;通過中斷服務(wù)分析報(bào)頭，讀取實(shí)際包數(shù)據(jù)。ENC28J60的數(shù)據(jù)接收程序流程圖如圖5所示。

圖5 接收數(shù)據(jù)包流程圖

2.3.3 ENC28J60發(fā)送

發(fā)送過程主要包括:發(fā)送準(zhǔn)備，發(fā)送，發(fā)送異常處理。ENC28J60自動(dòng)生成前導(dǎo)符和幀起始定界符、最小包的填充和有效CRC追加。在發(fā)送準(zhǔn)備過程中需要進(jìn)行最小包填充設(shè)置，CRC追加設(shè)置，包控制字節(jié)輸人，以及MAC幀有效字段輸人。發(fā)送過程是內(nèi)部過程。當(dāng)發(fā)送異常中止時(shí)，需要根據(jù)MAC模塊自動(dòng)產(chǎn)生的7 byte發(fā)送狀態(tài)向量進(jìn)行相應(yīng)處理。如圖6所示，即為 ENC28J60的數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程圖。

圖6 發(fā)送數(shù)據(jù)包流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

ENC28J60是目前體積最小的以太網(wǎng)控制芯片，它能提供以太網(wǎng)通信的相應(yīng)功能，而且體積小，可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)出體積較小的網(wǎng)關(guān)模塊。文中采用51單片機(jī)及符合國際電工電子委員會(huì)制定的IEEE802.3協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)芯片ENC28J60為硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)上的以太網(wǎng)通信。PC設(shè)計(jì)好的網(wǎng)口與路由器連接后，通過PC機(jī)可以與單片機(jī)ping通。如圖7為PC機(jī)ping通單片機(jī)IP的現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。

圖7 PC機(jī)ping通單片機(jī)IP

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1中可以看出PC機(jī)向單片機(jī)發(fā)送4個(gè)測試數(shù)據(jù)包，測試結(jié)果丟包率為0，說明網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)相當(dāng)?shù)牧己谩?shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的以太網(wǎng)通信接口通信可靠性高、配置靈活，適合于嵌入式智能家居控制領(lǐng)域使用。用上述方法構(gòu)建的通信網(wǎng)關(guān)可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)與SPI總線之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，為以太網(wǎng)與SPI總線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)提供了一種傳輸速度快，成本低，穩(wěn)定性和安全性高的解決方案。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處就在于應(yīng)用ENC28J60構(gòu)成嵌入式以太網(wǎng)模塊電路，克服了市場上已有以太網(wǎng)控制器封裝引腳多的缺點(diǎn)，簡化了設(shè)計(jì)，減小了占板空間。由此可以看出ENC28J60是極具特色的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器。由ENC28J60構(gòu)成的嵌入式以太網(wǎng)模塊電路連接簡單，而且功能強(qiáng)大。它與目前大多數(shù)的以太網(wǎng)控制器相比具有明顯的優(yōu)勢:無需外擴(kuò)地址，無需外擴(kuò)數(shù)據(jù)總線。并且可以根據(jù)需要配合不同的微控制器將模塊做到足夠小的尺寸。這完全符合未來工業(yè)以太網(wǎng)控制器的發(fā)展趨勢?；贓NC28J60的以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)，電路設(shè)計(jì)簡單，功能強(qiáng)大，可以靈活的應(yīng)用于通信行業(yè)、遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程安保報(bào)警系統(tǒng)及智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控控制等場合，完全符合未來以太網(wǎng)控制器的發(fā)展趨勢，具有十分廣闊的運(yùn)用前景。

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