新型以太网控制器_ENC28J60_及其接口技术

新型以太网控制器 ENC28J60 及其接口技术 ENC28J60 是 Microchip Technology（美国微芯科技公司）近期推出的 28 引脚独立以太网控制器。 在此之前，嵌入式系统开发可选的独立以太网控制器都是为个人计算机系统的，如 RTL8019、AX88796L、D M9008、 CS8900A、LAN91C111 等。这些器件不仅结构复杂，体积庞大，且比较昂贵。目前市场上大部分以太网控制 器的封装均超过 80 引脚，而符合 IEEE 802.3 的 ENC28J60 只有 28 引脚，既能提供相应的功能，又可以大大简 化相关设计，减小空间。 图 1 ENC28J60 的硬件连接 1 结构和功能 采用业界串行外设接口(SPI)的以太网控制器 ENC28J60 具有以下主要特征： ◆ 符合 IEEE 802.3 协议。内置 10 Mbps 以太网物理层器件（PHY）及媒体访问控制器（MAC），可按 业界标准的以太网协议可靠地收发信息包数据。 ◆ 具有可编程过滤功能。特殊的过滤器，包括 Microchip 的可编程模式匹配过滤器，可自动评价、接 收或拒收 Magic Packet，单播（Unicast）、多播（Multicast）或广播（Broadcast）信息包，以减轻主控 单片机的处理负荷。 ◆ 10 Mbps SPI 接口。业界标准的串行通信端口，使得低至 18 引脚的 8位单片机也具有网络连接功能。 ◆ 可编程 8 KB 双端口 SRAM 缓冲器。以高效的方式进行信息包的存储、检索和修改，以减轻主控单片 机的内存负荷。该缓冲存储器提供了灵活可靠的数据管理机制。 2 硬件设计 ENC28J60 的硬件设计需要注意复位电路时钟振荡器，振荡器启动定时器，时钟输出引脚，变压器、终 端和其他外部器件，输入/输出电平等几个方面。（图 1 可供参考） 2.1 复位电路 ENC28J60 有上电复位(Power-on Reset)功能，RESET 引脚上的低电平使 ENC28J60 进入复位模式；RESE T 引脚内部有弱上拉电阻。ENC28J60 的硬件连接如图 1所示。 2.2 时钟振荡器 ENC28J60 需要一个 25 MHz 的晶振，接在 OSC1 和 OSC2 脚上；也可由外部时钟信号来驱动。此时 3.3 V 的外部时钟接在 OSC1 脚上，OSC2 断开或者通过一个电阻接地来降低系统噪声。 2.3 振荡器启动定时器 ENC28J60 内部有一个振荡器启动时钟 OST(Oscillator Start 　 up Timer)，上电 7 500 个时钟周期(3 00 μs)，OST 期满后内部的 PHY 方能正常工作。这时不能发送或者接收报文。上位机可通过检测 ENC28J60 内部 ESTAT 寄存器中的 CLKRDY 位的状态来决定是否可设置发送或接收报文。 需要注意的是，当 ENC28J60 上电复位或者从 PowerDown 模式下唤醒时，必须检测 ESTAT 寄存器中的 C LKRDY 是否置位。只有 CLKRDY 置位后才能发送、接收报文，访问相关寄存器。 2.4 时钟输出引脚 CLKOUT 引脚可为系统中的其他设备提供时钟源。上电后 CLKOUT 引脚保持低电平，复位结束后 OST 计数。 OST 期满后，CLKOUT 输出频率为 6.25 MHz 的时钟。 时钟输出功能通过 ECOCON 寄存器禁止、调整和使能。时钟输出可设置为 1、2、3、4、8分频，上电后 默认为 4分频。ECOCON 寄存器配置改变以后，CLKOUT 引脚有 80～320 ns 的延迟(保持低电平)，然后按照 设定输出固定频率的时钟信号。 软件或者 RESET 引脚上的复位信号不会影响 ECOCON 寄存器的状态。PowerDown 模式也不会影响时钟的 输出。当禁止时钟输出时，CLKOUT 引脚保持低电平。 2.5 变压器、终端和其他外部器件 为了实现以太网接口 ENC28J60，需要几个标准的外部器件： 脉冲变压器、偏置电阻、储能电容和去耦 电容。 差分输入引脚(TPIN+/TPIN-)，需要一个 1∶1变比的脉冲变压器来实现 10BASET。差分输出引脚(TPOU T+/TPOUT -)，需要一个变比为 1∶1、带中心抽头的脉冲变压器。变压器需要有 2 kV 或更高的隔离能力， 防静电。对变压器的详细要求请参考芯片第 16 章“电气特性”。每个部分都需要通过 2个 50 Ω、精 度为 1%的电阻和 1个 0.01 μF 的电容串联后接地。 笔者采用的是集成以太网隔离变压器 RJ45 插座 YL1J003A,若采用分离的隔离变压器, 型号为 YL18-1001D。 所有的供电引脚(VDD、VDDOSC、VDDPLL、VDDRX、VDDTX)必须接在外部的同一个 3.3 V 电源上；同理， 所有的地(VSS、VSSOSC、VSSPLL、VSSTX)必须接在同一个外部地上。每个供电引脚和地之间应当接 1个 0. 1 μF 的陶瓷电容去耦（电容要尽可能接近供电引脚）。 驱动双绞线接口需要较大的电流，所以电源线应尽可能宽，与引脚的连接尽可能短，以降低电源线内 阻的消耗。 2.6 输入输出电平 ENC28J60 是一个 3.3 V 的 CMOS 器件，但它设计得非常容易统一到 5 V 系统中去：SPI、CS、 SCK、SI 输入和 RESET 引脚一样，都可承受 5 V 电压。当 SPI 和中断输入与 3.3 V 驱动的 CMOS 输出不兼容时，可能 需要一个单向的电平转换器。74HCT08 (四与门), 74ACT125(四三态缓冲器)和许多具有 TTL 电平输入的 5 V CMOS 缓冲器芯片都可以提供所需的电平转换。 2.7 LED 配置 LEDA 和 LEDB 引脚在复位时支持极性自动检测。既可直接驱动 LED，又可灌电流驱动。复位时 ENC28J6 0 检测 LED 的连接，并按照 PHLCON 寄存器的默认设置来驱动。运行过程中的 LED 极性转换直到下一次系统 复位后才能被检测到。LEDB 的连接比较特殊，在复位过程中检测它的连接，决定如何初始化 PHCON1 寄存器 的 PDPXMD 位。如果 LEDB 直接驱动 LED，则 PHCON1.PDPXMD 位被清零，PHY 工作在半双工模式；如果 LEDB 吸收反向电流点亮 LED，则 PHCON1.PDPXMD 被置位，PHY 工作在全双工模式；如果 LEDB 没有连接，则 PHCO N1.PDPXMD 复位后的值不确定。这时主控制器必须适当设置该位，以使 PHY 工作在所需的状态(半双工或全 双工)。 3 软件接口 3.1 SPI 接口 SPI 接口( Serial Peripheral Interface )是一种同步、全双工串行接口，基于主从配置，是一个 4 线接口——主出/从入(MOSI)，主入/从出(MISO)，串行时钟(SCK)，从机选择(SSEL)。 在同一总线上可以有多个主机或者从机，但同一时刻只能有一个主机和一个从机能够进行通信。在一 次数据传输过程中，数据是同步进行发送和接收的：主机向从机发送 1字节数据，从机也向主机返 1字节 数据。数据传输原则上是全双工的；但实际上，大多数情况下只有一个方向上的数据流包含有意义的数据。 SPI 格式的主要特性是 SCK 信号的无效状态和相位，数据传输的时钟由主机提供。常用的时钟设置基于 时钟极性(CPOL)和时钟相位 (CPHA)两个参数，CPOL 定义 SPI 串行时钟的活动状态，而 CPHA 定义相对于从 机输出数据位的时钟相位。CPOL 和 CPHA 的设置决定了数据取样的时钟沿。 取决于 CPOL 和 CPHA 的设置不同，SPI 共有 4 种模式，如表 1所列。 表 1 SPI 的 4 种模式 3.2 ENC28J60 与单片机的连接 ENC28J60 与微控制器 MCU 的连接是通过 SPI 实现的，支持 10 Mbps。对于没有 SPI 接口的芯片可通过 用 I/O 口模拟 SPI 接口的方式实现。ENC28J60 仅支持 SPI 模式 0,0。 微控制器可通过 SPI 接口发送命令，访问 ENC28J60 的寄存器或读写接收/发送缓冲区，完成相关操作。 复位也可通过 SPI 接口由软件实现，软件复位不影响 RESET 引脚的状态。 ENC28J60 有两个中断输出，分别用于事件中断触发和网络唤醒主机。 CPU 采用 LPC2138 用宏定义实现 SPI 口读写操作。SOSPDR 为 SPI 数据寄存器，该双向寄存器为 SPI 提 供发送和接收的数据，发送数据通过写该寄存器提供，SPI 接收的数据可从该寄存器读出。SOSPSR 为 SPI 状态寄存器。在对 SPI 接口进行操作之前需对其初始化。下面给出读/写 SPI 接口的源代码。 #define READSPI( Val ) { S0SPDR = 0x00; while( 0 == (S0SPSR & 0x80)); Val = S0SPDR; } #define WRITESPI( Val ) { if ( 0 == (S0SPSR & 0x40) ) { S0SPDR = Val; while( 0 == (S0SPSR & 0x80) ); } } 亦可用 LPC2138 的 SSP 来连接 ENC28J60，需将其设置为 SPI 模式。应当注意到 SSP 有 8 帧的收/发 FI FO，如果处理不当将造成读/写错误。因为缓冲区的存在可能破坏读/写 ENC28J60 的时序。 对于没有 SPI 接口的单片机可采用普通 I/O 口模拟的方法实现 SPI 主机。此时须注意静态时时钟的无 效状态和相位，以及输出数据位出现的时间；对 ENC28J60 操作期间片选必须保持有效(低电平)，操作结束 后返回低电平。根据 ENC28J60 的读/写波形很容易写出模拟 SPI 主机的程序。笔者曾在 AT89S51 上实现了 模拟 SPI 主机读/写 MCP2515 的操作。 4 结论 笔者在 LPC2138+ENC28J60+YL1J003A(YL18-1001D)平台上实现了以太网通信。相对于其他，该系统 极为精简。对于没有开放总线的单片机，虽然有可能采用模拟并行总线的方式连接其他以太网控制器，但 不管从效率还是性能上，都不如用 SPI 接口或采用通用 I/O 口模拟 SPI 接口连接 ENC28J60 的方案。 可以看出，ENC28J60 是极具特色的独立以太网控制器：SPI 接口使得小型单片机也能具有网络连接功 能；集成 MAC 和 PHY 无需其他外设；具有可编程过滤功能，可自动评价、接收或拒收多种信息包，减轻了 主控单片机的处理负荷；内部继承可编程的 8 KB 双端口 SRAM 缓冲器，操作灵活方便。不足之处为仅支持 1 0BASET