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摘要:

本文研究了新型以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60的特點、性能以及與外部接口硬件電路設計,分析了TCP/IP、UDP等協(xié)議的原理,介紹了MCU(微控制器)對ENC28J60芯片的控制過程和TCP/IP協(xié)議處理數(shù)據(jù)包的流程,并在STC11F32EX+ENC28J60+HR901170A平臺上實現(xiàn)了以太網(wǎng)通信。本方案可以將數(shù)據(jù)按網(wǎng)絡協(xié)議處理,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)傳輸,具有設計結構簡單、實現(xiàn)方便、可擴展性,為小型低成本系統(tǒng)具備以太網(wǎng)接口提供了一種新的方法。

關鍵詞:

以太網(wǎng)ENC28J60SPI接口TCP/IP協(xié)議HTML超文本語言

1引言

ENC28J60是MicrochipTechnology近期推出的28引腳獨立以太網(wǎng)控制芯片,在此之前,以太網(wǎng)控制芯片都是為個人計算機系統(tǒng)設計的,如RTL8019、DM9008、CS8900A、LAN91C111等,這些器件不僅結構復雜,體積龐大,且比較昂貴。目前市場上大部分以太網(wǎng)控制芯片的封裝均超過80引腳,而符合IEEE802.3協(xié)議的ENC28J60僅有28引腳就能提供類似的功能,所以利用ENC28J60芯片來設計以太網(wǎng)控制系統(tǒng)具有設計簡單、占用空間小等優(yōu)點。

2ENC60J芯片簡介

ENC28J60芯片可為嵌入式應用提供低引腳數(shù)、低成本、高效、易用的遠程通訊解決方案,利用ENC28J60以太網(wǎng)控制芯片可實現(xiàn)占位小、成本低、精簡的嵌入式網(wǎng)絡應用系統(tǒng),芯片管腳定義見圖1。

2.1ENC28J60主要功能模塊ENC28J60由七個主要功能模塊組成:(1)SPI接口——充當主控制器和ENC28J60之間通信通道;(2)控制寄存器——用于控制和監(jiān)視ENC28J60;(3)雙端口RAM緩沖器——用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包;(4)判優(yōu)器——當DMA、發(fā)送和接收模塊發(fā)出請求時對RAM緩沖器的訪問進行控制;(5)總線接口——對通過SPI接收的數(shù)據(jù)和命令進行解析;(6)MAC(MediumAccessControl)模塊——實現(xiàn)符合IEEE802.3標準的MAC邏輯;(7)PHY(物理層)模塊——對雙絞線上的模擬數(shù)據(jù)。

2.2其主要功能有以下幾個方面(1)10Mb/sSPI接口,業(yè)界標準的串行通信端口,充當主控制器和ENC28J60之間通信通道,使嵌入式應用系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口變得極其簡便;(2)具有可編程過濾功能,特殊的過濾器,包括Micro-chip的可編程模式匹配過濾器,可自動評價、接收或拒收MagicPacket,單播(singlecast)、多播(Multicast)或廣播(Broadcast)信息包,以減輕主控芯片的處理負荷;(3)符合IEEE802.3協(xié)議,內(nèi)置10Mbit／s以太網(wǎng)物理層器件(PHY:PhysicalLayer)及介質(zhì)訪問控制器(MAC:MediaAccessContro1),可按業(yè)界標準的以太網(wǎng)協(xié)議可靠地收發(fā)信息包,并具有可編程填充和CRC(CyclicalRedundancyCheck)自動生成功能;(4)可編程8kByte發(fā)送/接收數(shù)據(jù)包雙端口SRAM(StaticRandomAccessMemory),并可配置發(fā)送/接收緩沖器大小,硬件管理的循環(huán)接收FIFO(FirstInputFirstOutput),字節(jié)寬度的隨機訪問和順序訪問(地址自動遞增),用于快速數(shù)據(jù)傳送的內(nèi)部DMA(DirectMemoryAccess)。該緩沖存儲器提供了靈活可靠的數(shù)據(jù)管理機制;(5)兩個用來表示連接、發(fā)送、接收、沖突和全/半雙工狀態(tài)的可編程LED輸出;(6)25MHz時鐘,帶可編程預分頻器的時鐘輸出引腳,工作電壓范圍是3.14V到3.45V;(7)支持全雙工和半雙工模式可編程在發(fā)生沖突時自動重發(fā),可編程填充和CRC生成,可編程自動拒絕錯誤數(shù)據(jù)包;(8)溫度范圍:-40°C到+85°C(工業(yè)級)。

3硬件設計

3.1以太網(wǎng)控制芯片原理圖硬件設計框圖見圖2。圖中RJ-45為標準的網(wǎng)絡接口插座,一般情況下僅使用1,2,3,6管腳,MCU這里設計為MCS-51系列單片機,為提高網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸速度,本處使用宏晶科技公司新推出的STC11F32EX單片機,該系列單片機指令周期僅為1個周期,具備ISP/IAP在系統(tǒng)可編程功能,最高工作時鐘可達35MHz,本設計中選為29.4912M,實際測試時,在使用PING指令時PING通的時間達到小于3ms,如果使用W77E58作為MCU,指令周期為4個周期,PING指令時PING通的時間到小于7ms(第一次PING指令回送時間略長)。芯片工作時鐘為25M,以太網(wǎng)變壓器是比較成熟的產(chǎn)品,與MCU之間的連線為CS、SDI、SDO、SCK、INT,如果以查詢方式在以太網(wǎng)上交換數(shù)據(jù),那么INT中斷引腳可以不連接,芯片復位可以用軟件復位,所以芯片的第10腳RESET引腳也可以不連接。

3.2SPI接口ENC28J60共有128個控制寄存器,128個控制寄存器提供主控制器和片內(nèi)以太網(wǎng)控制芯片邏輯電路之間的主要接口,寫這些寄存器可控制接口操作,而讀這些寄存器則允許主控制器監(jiān)控這些操作,控制寄存器存儲空間分為四個存儲區(qū),可用ECON1寄存器中的存儲區(qū)選擇位BSEL1:BSEL0進行選擇。每個存儲區(qū)都是32字節(jié)長,可以用5位地址值進行尋址,所有存儲區(qū)的最后五個單元(1Bh-1Fh)都指向同一組寄存器:EIE、EIR、ESTAT、ECON2和ECON1,它們是控制和監(jiān)視器件工作的關鍵寄存器,由于被映射到同一存儲空間,因此可以在不切換存儲區(qū)的情況下很方便地訪問它們,ENC28J60的控制寄存器通常被分為ETH、MAC和MII三組寄存器。ENC28J60所執(zhí)行的操作完全依據(jù)外部主控制器通過SPI接口發(fā)出的命令。這些命令為一個或多個字節(jié)的指令,用于訪問控制存儲器和以太網(wǎng)緩沖區(qū),指令至少包含一個3位操作碼和一個用于指定寄存器地址或數(shù)據(jù)常量的5位參數(shù),寫完位域指令后還會有一個或多個字節(jié)的數(shù)據(jù)。ENC28J60共有七條指令,芯片的Datasheet上有所有操作的命令代碼。

4各協(xié)議的分析與選擇

4.1TCP、UDP協(xié)議分析為了測試系統(tǒng)與網(wǎng)絡的連接,需要實現(xiàn)ICMP協(xié)議中的Ping應答協(xié)議,Ping應答協(xié)議主要是檢查網(wǎng)絡是否連通。IP是網(wǎng)絡層上的主要協(xié)議,同時被TCP和UDP使用,TCP和UDP是運輸層協(xié)議。UDP協(xié)議主要用來完成數(shù)據(jù)傳輸,該協(xié)議是一個簡單的面向數(shù)據(jù)報的運輸層協(xié)議,與TCP協(xié)議相比傳輸效率較高,設計中選用UDP協(xié)議,可在應用層用校驗機制來提高網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｍㄟ^上述裁剪,就得到了一個簡潔實用的UDP/IP協(xié)議,使得MCU可以快速可靠地收發(fā)網(wǎng)絡UDP數(shù)據(jù)包,實現(xiàn)穩(wěn)定的通訊。基本協(xié)議框架見圖3。

4.2ICMP、UDP、TCP協(xié)議的實現(xiàn)以太網(wǎng)鏈路層的功能由以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60完成,MCU完成TCP／IP協(xié)議的解釋和執(zhí)行,MCU首先要對以太網(wǎng)控制芯片復位,并對芯片內(nèi)寄存器進行初始化,確定發(fā)送和接收的條件,設置好MAC和IP地址,要求IP地址設置在和主控制器同一個局域網(wǎng)內(nèi),即IP地址的前三位相同,最后一位不同。然后才能發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù),本設計中接收和發(fā)送數(shù)據(jù)都采用中斷方式進行。當一幀數(shù)據(jù)發(fā)送結束、接收到一幀數(shù)據(jù)或出錯等事件發(fā)生時,以太網(wǎng)控制芯片向主控芯片申請中斷,主控制器響應中斷后,根據(jù)中斷狀態(tài)寄存器的內(nèi)容進行相應處理,MCU完成對數(shù)據(jù)的打包解包,在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時,控制器會首先發(fā)送ARP請求,建立地址映射,ARP協(xié)議時芯片自主完成的。MCU根據(jù)情況將數(shù)據(jù)按照TCP協(xié)議或UDP協(xié)議格式打包,送入ENC28J60芯片,由芯片將數(shù)據(jù)輸出到局域網(wǎng)中,反之,當有數(shù)據(jù)從局域網(wǎng)過來時,控制器產(chǎn)生中斷,請求MCU進行處理,MCU對數(shù)據(jù)包進行分析。

4.3TCP協(xié)議的具體實現(xiàn)TCP協(xié)議是為應用層提供的服務,面向連接意味著兩個使用TCP的應用(通常是一個客戶一個是服務器)在彼此交換數(shù)據(jù)之前必須先建立一個TCP連接。這一過程與打電話很相似,先撥號振鈴,等待對方摘機說“喂”,然后才說明是誰。以太網(wǎng)首部地址0-13H,就是以太網(wǎng)的目的地址和源地址以及幀類型,IP首部從地址的第14個字節(jié)開始,包括版本長度、服務類型、總長度等共20個字節(jié),TCP首部見圖4。

5HTML語言設計

Internet的應用為信息的交流帶來了便利,人們不僅可瀏覽他人的網(wǎng)站,還可編制自己的個人網(wǎng)站,超文本制作語言HTML是編制web頁的基本工具。標準的HTML文件都是以<HTML>開始,以</HTML>結束的,Html命令分為以下幾類:(1)文件結構命令:用來標注出文件的結構;(2)區(qū)段格式命令:將HTML文件中的某區(qū)段文字用特定的格式顯示;(3)下錨連接命令:標記超文本連接;(4)字符格式命令:用于設置字符的顯示格式;(5)圖像命令:用于顯示圖像資料;(6)列表命令:用于制作明細清單;(7)表格命令:用于制作各種表格。在實際應用中為了高效的完成數(shù)據(jù)交換,建議使用UDP協(xié)議,UDP協(xié)議實際上就相當于我們經(jīng)常使用的RS232口,這個協(xié)議不會像TCP協(xié)議那樣需要先建立連接,延長了傳輸前的準備過程,降低了數(shù)據(jù)傳輸效率(只是基于TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃暂^高)。

6結語

我們在STC11F32EX+ENC28J60+HR901170A平臺上實現(xiàn)了以太網(wǎng)通信,本文采用簡化改進的TCP／IP協(xié)議,使系統(tǒng)能夠順利地接入以太網(wǎng),使用UDP協(xié)議與其它系統(tǒng)交換數(shù)據(jù),相對于其它以太網(wǎng)接入方案,本設計具備數(shù)據(jù)傳輸速率高、設計精簡等特點,芯片的SPI接口使得普通單片機也能具有以太網(wǎng)連接功能,這為小型低成本系統(tǒng)具備以太網(wǎng)接口提供了一種新的方法。

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作者：何煦 熊建林 單位：中國電子科技集團公司第三十六研究所