一種嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)

1 引言

　　隨著Internet 的出現(xiàn)和以太網(wǎng)的迅速發(fā)展， 基于以太網(wǎng)的設(shè)備控制越來越多。目前市場上大部分以太網(wǎng)控制器采用的封裝均超過80 引腳， 如RTL8019AS、DM9008、CS8900A 等。這些器件不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 面積龐大， 且系統(tǒng)開銷較大。近來， Microchip推出全球首枚28 引腳獨(dú)立以太網(wǎng)控制器ENC28J60, 可為嵌入式系統(tǒng)提供低引腳數(shù)、低成本、精簡的遠(yuǎn)程通訊解決方案。

　　設(shè)計(jì)了以ENC28J60 為核心的以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)方案， 描述了該系統(tǒng)硬件架構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。在簡要介紹了以太網(wǎng)控制器ENC28J60 的結(jié)構(gòu)、功能、外圍電路的基礎(chǔ)上， 對(duì)ENC28J60 與Atmega16 的SPI 通訊進(jìn)行了闡述。此方案不僅成本低， 而且可以實(shí)現(xiàn)500Kbps 以上的傳輸速率， 滿足了嵌入式系統(tǒng)的Internet 控制要求。

2 ENC28J60 網(wǎng)絡(luò)接口體系結(jié)構(gòu)

　　ENC28J60 是帶有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口(Serial PeripheralInterface, SPI)的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器。它符合IEEE 802.3 的全部規(guī)范， 采用了一系列包過濾機(jī)制以對(duì)傳入數(shù)據(jù)包進(jìn)行限制。它還提供了一個(gè)內(nèi)部DMA 模塊， 以實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐和硬件支持的IP 校驗(yàn)和計(jì)算。與主控制器的通信通過兩個(gè)中斷引腳(INT和WOL)和SPI 腳(SO、SI、SCK、CS)實(shí)現(xiàn)， 數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10Mb/s.兩個(gè)專用的引腳(LEDA、LEDB)用于連接LED, 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)狀態(tài)指示。圖1 所示為ENC28J60 的典型應(yīng)用電路。

ENC28J60 由7 個(gè)主要功能模塊組成：SPI 接口， 充當(dāng)主控制器和ENC28J60 之間通信通道; 控制寄存器， 用于控制和監(jiān)視ENC28J60; 雙端口RAM緩沖器， 用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包; 判優(yōu)器， 當(dāng)DMA、發(fā)送和接收模塊發(fā)出請(qǐng)求時(shí)對(duì)RAM緩沖器的訪問進(jìn)行控制; 總線接口， 對(duì)通過SPI 接收的數(shù)據(jù)和命令進(jìn)行解析;MAC 模塊：實(shí)現(xiàn)符合IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)的MAC 邏輯; PHY 模塊， 對(duì)雙絞線上的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和譯碼。ENC28J60 還包括其他支持模塊， 諸如振蕩器、片內(nèi)穩(wěn)壓器、電平變換器(提供可以接受5V 電壓的I/O 引腳)和系統(tǒng)控制邏輯。

　　根據(jù)以上說明， ENC28J60 應(yīng)用于嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口是非常合適的， 有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。

　　3 ENC28J60 在嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口的應(yīng)用

　　3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

　　利用ENC28J60 可以構(gòu)成不同功能的網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)， 如網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、帶Internet 功能的設(shè)備、遠(yuǎn)程監(jiān)控(數(shù)據(jù)采集， 診斷)設(shè)備等。圖2 所示為基于ENC28J60 的嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口的硬件電路原理圖。電路中有：2 個(gè)LED 狀態(tài)指示燈主要用來顯示網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)， 包括PHY 是否沖突、連接是否建立、是否接收數(shù)據(jù)、連接速度、雙工模式等; 必需的偏置電阻R3(2kΩ， 精度為1%);高速局域網(wǎng)電磁隔離模塊(即RJ45 以太網(wǎng)接口)， 應(yīng)用中，ENC28J60 的物理端口與隔離變壓器HR901170A 連接時(shí)必須符合IEEE802.3 對(duì)物理層規(guī)范的要求， 如RJ45 的插孔與隔離變壓器的間隔應(yīng)盡量小， 輸出和輸入差分信號(hào)對(duì)的走線要有很好的隔離。

電路中的主控制器采用Atmel 公司的ATmega16 單片機(jī)，它具有先進(jìn)的RISC(精簡指令集計(jì)算機(jī))結(jié)構(gòu)、16 kB 可編程Flash 存儲(chǔ)器、512 B 的EEPROM和1 kB 片內(nèi)SRAM, 具有豐富的外設(shè)接口， 其SPI 接口允許ATmega16 與外設(shè)進(jìn)行高速的同步數(shù)據(jù)傳輸。本設(shè)計(jì)中ATmega16 SPI 配置為主機(jī)模式，ENC28J60 為從設(shè)備。ATmega16 的SPI 工作模式由CPOL、CPHA 設(shè)置， 根據(jù)ENC28J60 的SPI 讀寫時(shí)序， ATmega16 的SPI工作模式應(yīng)設(shè)置為模式0.ATmega16 通過將ENC28J60 的CS引腳置低實(shí)現(xiàn)與其的同步。SPI 時(shí)鐘由寫入到SPI 發(fā)送緩沖寄存器的數(shù)據(jù)啟動(dòng)， SPI MOSI(PB5)引腳上的數(shù)據(jù)發(fā)送秩序由寄存器SPCR 的DORD 位控制， 置位時(shí)數(shù)據(jù)的LSB(最低位)首先發(fā)送， 否則數(shù)據(jù)的MSB(最高位)首先發(fā)送。我們選擇先發(fā)送MSB,同時(shí)接收到的數(shù)據(jù)傳送到接收緩沖寄存器， CPU 進(jìn)行右對(duì)齊從接收緩沖器中讀取接收到的數(shù)據(jù)。應(yīng)該注意， 當(dāng)需要從ENC28J60 中讀取多個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)， 即使ENC28J60 并不需要ATmega16 串行輸出的數(shù)據(jù)， 每讀取一個(gè)數(shù)據(jù)前都要向SPI 發(fā)送緩沖器寫一個(gè)數(shù)據(jù)以啟動(dòng)SPI 接口時(shí)鐘。由于SPI 系統(tǒng)的發(fā)送方向只有1 個(gè)緩沖器， 而在接收方向有2 個(gè)緩沖器， 所以在發(fā)送時(shí)一定要等到移位過程全部結(jié)束后， 才能對(duì)SPI 數(shù)據(jù)寄存器執(zhí)行寫操作; 而在接收數(shù)據(jù)時(shí)， 需要在下一個(gè)字節(jié)移位過程結(jié)束之前通過訪問SPI 數(shù)據(jù)寄存器讀取當(dāng)前接收到的數(shù)據(jù)， 否則第1 個(gè)數(shù)據(jù)丟失。

　　3.2 ENC28J60 軟件初始化

　　在使用ENC28J60 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包前， 必須對(duì)器件進(jìn)行初始化設(shè)置。根據(jù)不同的應(yīng)用， 一些配置選項(xiàng)可能需要更改。初始化設(shè)置工作包括接收和發(fā)送緩沖器、接收過濾器、晶振啟動(dòng)時(shí)間、MAC 寄存器、PHY 寄存器。初始化芯片之前先關(guān)閉單片機(jī)的中斷輸入， 對(duì)RESET 引腳給定一個(gè)持續(xù)的低電平復(fù)位信號(hào)， 然后對(duì)相應(yīng)的寄存器進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置完成所有需要的寄存器后， 判斷以太網(wǎng)狀態(tài)中的時(shí)鐘啟動(dòng)標(biāo)志位是否置位， 然后開中斷。

　　系統(tǒng)初始化后進(jìn)入主程序循環(huán)， 包括單片機(jī)的控制作用和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)于以太網(wǎng)傳輸部分來說。主要有兩個(gè)作用：一是對(duì)要發(fā)送的數(shù)據(jù)按照以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行封裝并發(fā)送; 二是對(duì)接收的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解包， 供應(yīng)用程序使用。

3.3 ENC28J60 發(fā)送數(shù)據(jù)包

　　在進(jìn)行數(shù)據(jù)包發(fā)送或接收時(shí)， 要先對(duì)寫緩沖存儲(chǔ)器(WriteBuffer Memory, WBM)命令掌握。WBM允許主控制器將字節(jié)寫入8KB 發(fā)送和接收緩沖存儲(chǔ)器。如果ECON2 寄存器中的AUTOINC 位置1, 那么在寫完每個(gè)字節(jié)的最后一位之后，EWRPT 指針將會(huì)自動(dòng)地遞增指向下一個(gè)地址(當(dāng)前地址加1)。

　　如果寫入地址1FFF 且AUTOINC 置1, 則寫指針加1 指向0000h.將CS 引腳拉為低電平啟動(dòng)WBM命令。然后將WBM操作碼及隨后的5 位常量1Ah 送入ENC28J60.在發(fā)送WBM命令和常量之后， 由EWRPT 指向的存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)將移入ENC28J60, 首先移入最高位。在接收到8 個(gè)數(shù)據(jù)位后， 如果AUTOINC 置1, 寫指針將自動(dòng)遞增。主控制器可以繼續(xù)在SCK引腳提供時(shí)種信號(hào)、在SI 引腳發(fā)送數(shù)據(jù)同時(shí)保持/CS 為低電平， 從而可以連續(xù)寫入存儲(chǔ)器。當(dāng)AUTOINC 被使能時(shí)， 以該方式就可以連續(xù)地向緩沖存儲(chǔ)器寫入字節(jié)而無需多余的SPI命令。拉高CS 引腳電平可結(jié)束WBM命令。在WBM操作期間，SO 引腳一直為高阻態(tài)， WBM操作時(shí)序， 請(qǐng)參見圖3.

　　

　　ENC28J60 內(nèi)的MAC 在發(fā)送時(shí)會(huì)自動(dòng)生成前導(dǎo)符和幀起始定界符。此外， MAC 可根據(jù)配置生成填充(如果需要)和CRC字段。主控制器必須生成所有其他幀字段， 并將它們寫入緩沖存儲(chǔ)器， 以待發(fā)送。此外， ENC28J60 還要求在待發(fā)送的數(shù)據(jù)包前添加一個(gè)包控制字節(jié)。主控制器應(yīng)：1.正確編程ETXST 指針，使之指向存儲(chǔ)器中未用的單元。它將指向包控制字節(jié)， 在本設(shè)計(jì)方案中， 指針應(yīng)編程為0120h; 2.使用WBM SPI 命令寫入包控制字節(jié)、目標(biāo)地址、源MAC 地址、類型/ 長度和數(shù)據(jù)有效負(fù)載; 3.正確編程ETXND 指針。它應(yīng)指向數(shù)據(jù)有效負(fù)載的最后一個(gè)字節(jié)， 在本設(shè)計(jì)方案中， 指針應(yīng)編程為0156h; 4.將EIR.TXIF位清零、將EIE.TXIE 位和EIE.INTIE 位置1 允許在發(fā)送完成后產(chǎn)生中斷(如果需要); 5.將ECON1.TXRTS 位置1 開始發(fā)送。如果在TXRTS 位置1 時(shí)正在進(jìn)行DMA 操作， ENC28J60 會(huì)等待DMA 操作完成再發(fā)送。這種等待是必需的， 因?yàn)镈MA 和發(fā)送引擎共享同一個(gè)存儲(chǔ)器訪問端口。同樣如果在TXRTS 已置1后， ECON1 中DMAST 位才置1, DMA 在TXRTS 位清零前不會(huì)采取任何動(dòng)作。如果正在進(jìn)行發(fā)送， 不應(yīng)通過SPI 讀取或?qū)懭肴魏未l(fā)送的字節(jié)。主控制器將TXRTS 位清零可取消發(fā)送。如果數(shù)據(jù)包發(fā)送完成或因錯(cuò)誤取消而中止發(fā)送， ECON1.TXRTS位會(huì)被清零， 一個(gè)7 字節(jié)的發(fā)送狀態(tài)向量將被寫入由ETXND +1 指向的單元， EIR.TXIF 會(huì)被置1 并產(chǎn)生中斷(如果允許)。要驗(yàn)證數(shù)據(jù)包是否成功發(fā)送， 應(yīng)讀取ESTAT.TXABRT 位。如果該位置1, 主控制器在查詢發(fā)送狀態(tài)向量的各個(gè)字段外， 還應(yīng)查詢ESTAT.LATECOL 位， 以確定失敗的原因。下面給出寫數(shù)據(jù)包的源代碼：

　　

　　3.3 ENC28J60 接收數(shù)據(jù)包

　　假設(shè)接收緩沖器已完成初始化， MAC 已正確配置而且接收過濾器已配置為接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包， 主控制器應(yīng)該：1.如果需要在接收到數(shù)據(jù)包時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中斷， 就要將EIE.PKTIE 位和EIE.INTIE位置1; 2. 如果需要在由于緩沖空間不足導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中斷， 就要將EIR.RXERIF 位清零， 并將EIE.RXERIE位和EIE.INTIE 位置1; 3. 通過將ECON1.RXEN 位置1使能接收。在將RXEN 置1 后， 將不能修改雙工模式和接收緩沖器起始和結(jié)束指針。此外， 要阻止不期望接收的數(shù)據(jù)包， 在更改接收過濾器配置寄存器(ERXFCON) 和MAC 地址前建議將RXEN 清零。在使能接收后， 沒有過濾掉的數(shù)據(jù)包將寫入循環(huán)接收緩沖器。任何不符合過濾條件的數(shù)據(jù)包將被丟棄， 但主控制器無法識(shí)別一個(gè)數(shù)據(jù)包已被丟棄。當(dāng)接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包并將其完整寫入緩沖器時(shí)， EPKTCNT 寄存器將遞增， EIR.PKTIF 位將置1, 并產(chǎn)生一個(gè)中斷(如果允許)， 同時(shí)硬件寫指針ERXWRPT 自動(dòng)遞增。

　　4 結(jié)束語

　　本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)： 通過ENC28J60 芯片所設(shè)計(jì)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口可以在多種環(huán)境中應(yīng)用， 能按需要進(jìn)行配置來完成系統(tǒng)功能，并且在成本、體積、功耗、靈活性等方面具有明顯的優(yōu)勢，能為智能化儀器與設(shè)備、信息家電等開拓新的應(yīng)用前景。

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