嵌入式系统中的ENC28J60应用

嵌入式系统中的ENC28J60应用 () 文章编号 :100224026 20070220075205 嵌入式系统中的 ENC28J 60 应用 1 2缑延军,郑富全 (1. 北京邮电大学计算机科学与技术学院 ,北京 100876 ; )2. 山东省科学院自动化研究所 ,山东 济南 250014 摘要 :面向单片机应用系统中的网络功能 ,根据 ENC28J 60 适于嵌入式应用的简洁 、低功耗 、小封装的特点 ,以 及 Microchip TCPΠIP 栈的支持 ,从 TCPΠIP 协议的配置选择和资源支持等方面 ,对当前流行的通讯转换器 、 ) (嵌入式 Web server 仪 、现场采集系统等、交易终端 、IP 电话等应用进行了分析 ,并结合在研项目给出了硬件 原理 、协议裁剪 、主体流程等设计 。分析表明 , ENC28J 60 用于小型的嵌入式系统 ,特别是基于 MCU 的应用系 统 ,接口简单 、开发方便 、成本低 。 关键词 :嵌入式系统 ;以太网控制器 ; TCPΠIP ;Web 服务 ; IP 电话 ;通讯转换 中图分类号 : TN915. 07文献标识码 :B 工业仪表 、商业终端 、消费设备等以 MCU 为主的嵌入式应用中越来越多的需要以太网功能支持 ,由于资源 、成本限制等原因 ,原有面向 EISA 接口的以太网控制芯片表现出了诸多不适 。Microchip 推出的 ENC28J 60 以太网控制器 ,以其小尺寸封装 、低引脚数 、高速 SPI 总线支持等特点 ,适合作为小型化的嵌入式精简网络应 用的远程通讯解决方案 。 1 以太网与 TCPΠIP 协议 与主Π从型的总线网络相比 ,以太网采用 CSMAΠCD 或使用需求优先的访问方法 ,保证了网络节点的对 等 ,并通过网络分段减少冲突阻塞 ; 在多种传输介质下支持 10,100MbΠs 的传输带宽和 100,4000m 的传输 距离 ;包含了 OSI 协议栈中的介质访问控制子层和数据链路子层 。 TCPΠIP 作为网络通讯的协议包 ,主要涵盖了 OSI 的 7 层标准 : 链路层对下完成网络硬件设备的驱动管 理 ,对上完成 IP 数据的收Π发 ;网络层处理分组在网络中的活动 , IP 作为其主要协议之一 ;传输层包括 TCP 和 UDP ,为 2 个终端的应用程序提供端到端的通信 ,管理数据的分组 、传输的控制 ,它通过 IP 与端口号组成一个 Socket ,唯一的标识应用进程 ;应用层包括 HTTP 、FTP 等协议 。TCPΠIP 的每个协议间按照模块化结构设计实 现 。图 1 给出了 TCPΠIP 的分层结构和主要模块的关系 。 TCPΠIP 协议的分层表现在协议包上就是由高到低的逐层打包 。在嵌入式网络应用中主要涉及到 MAC 、 1 IP 、ARP 、TCP 及 UDP 、以及 HTTP 的协议包。 2 ENC28J 60 特点及使用 2 ENC28J 60 的主要性能特点包括 : () 1采用最大速度 10MbΠs 的 SPI 接口 ,内置 8 K 字节双端口 SRAM 、发Π收缓冲区可配置 、接收 FIFO 循环 硬件管理数据包 ,内部 DMA 用于快速数据传送 。 收稿日期 :2006212215 76 山 东 科 学2007 年 () 2集成 MAC 和 10BASE2T PHY ,兼容 IEEE 802 . 3 ,具有接收冲 突抑制 、可 编 程 自 动 拒 绝 错 误 、冲 突 时 自 动 重 发 、可 编 程 填 充 和 CRC 生成功能 ,支持全双工和半双工模式 ; 支持单播 、组播和广播 数据包 ,多种可编程数据包过滤并具有唤醒功能 。 ( ENC28J 60 的片内存储器分为控制寄存器 、PHY 寄存器 通过 ) MIIM 控制寄存器间接访问、以太网缓冲器 。其存储器构成见图 2 。控制寄存器按功能可分为功能主控寄存器 、中断使能及中断登 记管理寄存器 、收Π发缓冲器配置及访问管理寄存器 、PHY 寄存器访 () 问管理 MII 模块控制寄 存 器 、DMA 管 理 寄 存 器 、MAC 管 理 寄 存 器 、接收过滤管理寄存器及其他 。 ENC28J 60 通过 SPI 与主控器进行数据交换 。SPI 的命令分为 (寄存器操作类 包括控制寄存器的字节值的读写和指定位的置 1 与 ) ( ) ( 清零、以太网缓冲区操作类 缓冲器读写、系统操作类 系统软件 ) 复位。 ΠIP 协议族分层 TCP图 1 图 2 ENC28J 60 存储器结构 ENC28J 60 使用包括 :初始化 、发送和接收 。初始化完成了其合理的控制配置后 ,数据包收Π发管理就成 了应用的主要任务 。 初始化内容主要包括 :根据应用特点配置收Π发缓冲区 ,根据应用配置相应的接收过滤组合 ,对 MAC 进 行初始化设置 ,对 PHY 进行初始化设置 。 数据包准备与发送 :发送时 , ENC28J 60 的 MAC 自动生成前导符和帧起始定界符 、并可根据配置生成不 足最小包的填充和有效 CRC 追加 。而作为 MAC 帧的其他字段必须要由主控器准备并通过 SPI 输入缓冲存 ( 储器 ;同时要求主控制器在向缓冲存储器写入其它必须生成的帧字段前 ,先写入一个包控制字节 不作为 ) MAC 帧的内容。必须注意 ,当发送因故中止时 ,MAC 模块自动产生 7 字节的发送状态向量 ,存入 ETXND + 1 开始的单元 。 (数据包接收与处理主要包括接收设置与启动 、内部接收与过滤 未过滤掉的数据包写入循环接收缓冲器 77 第 2 期缑延军 ,等 :嵌入式系统中的 ENC28J 60 应用 ) 并产生中断、数据包读取与处理三个阶段 。对于服务型应用和客户型应用 ,有所不同 。要注意 ,收到的数据包在缓冲区中的存储结构包括一个报头 、实际包数据 、可能的一个填充字节 。 另外 ,Microchip 提供了 TCPΠIP 协议栈实现和面向 Web 页面管理的 MFPS 文件系统 。 3 典型应用及其设计 嵌入式系统中典型的以太网应用可分为 :网络通讯转换 、智能仪表及其现场系统的 Web 应用 、IP 电话应 用 。其共同点就是以太网接入和支持 TCPΠIP 协议 ,而不同之处在于对 TCPΠIP 不同分层和协议模块的支持与 裁剪以及客户Π服务器身份的不同 。 3 . 1 RS2322以太网转换服务器 图 3 为设计实现 。其任务为实现串口通讯的透明传输 :接收串口数据发送到以太网 、接收以太网数据发送到串口 ,而不必关心串口帧的的具体意义 。以串口数据包作为 TCPΠIP 协议的应用层数据 ,保证串行数据 的原始性 ;采用 UDP 协议 ,不管理串口通讯的应答控制 ,保证通讯的及时性 ; 图 3 串口2以太网转换服务器原理框图 采用中断方式管理各个串口帧和以太网 MAC 帧的收发 ,而主程序监视收发状态 、实现转换控制策略 、 完成 UDP 打包Π解包以及收发控制 。在串口帧的中断收发处理中 ,除了完成串口缓冲区与硬件串口模块间 的数据交换外 ,还需要明确标识接收过程中的本串口开始接收状态 、接收开始时间 、已收到字节数 、break 结 束标志 、接收错误等信息 ,明确标识发送过程中的待发字节数 、break 产生标志等 ; 针对多个串口帧打包成 UDP 数据域 。每个串口帧外加 1 字节标识和 2 字节的长度字节作为前缀 ,标识字节描述串口号和本帧是否break 结束 。 UDP 打包控制策略包括 :各串口开始接收后的时间限制 、串口帧 break 结束即送 、UDP 包数据长度限制 ; UDP 解包控制策略包括 : break 结束串口帧优先 、时间限制排序 。 3 . 2 RS4852以太网通讯服务器 RS485 总线数据本质上可看作多个分时传送的串口数据帧合成的一路 UART 数据流 。RS485 以太网通讯服务器的常见设计为 :以其作为 RS485 总线网络的主设备 、透明转发应用主机的呼叫命令和末端设备的响 ( 应信息 。作为另一种尝试 ,本文给出了使用 ENC28J 60 设计的 IC 卡消费系统中的通讯服务器的原理结构 图 ) 4。 基于独立 RS485 网络分段 ,在本服务器中实现 RS485 主机的应用调度功能 ,将对末端从机状态和任务 支持请求的轮巡工作承担起来 ,从而实现低速通讯负载的分流和任务终端支持请求的主动发送与面向连接 的可靠通讯保证 ,特别适于 RS485 末端从机在应用主机支持下独立完成任务的应用系统 。服务器作为 TCP 客户端通过主动发起连接请求建立和保持与 TCP 服务器的连接 ,在连接中主动发起数据发送请求 、接收请 求响应 ,通过报文的确认 、排序实现可靠传输 。 78 山 东 科 学2007 年 图 4 IC 卡消费通讯服务器原理框图 3 . 3 嵌入式 Web 服务器 嵌入式 Web 服务器的核心功能是通过 HTTP 协议的实现 ,为通用 Web 浏览器生成并提供一定的 Web 页面 。图 5 为基于 ENC28J 60 设计的嵌入式 Web 服务器通用原理框图 。 图 5 嵌入式 Web 服务器原理框图 其主要的设计任务包括 : () 1TCP 连接管理 :除了支持相对于一个 HTTP 事务的 TCP 非持久连接外 ,权衡内存开销和持久连接 ,可 支持同一页面下的多个对象的 HTTP 。 () 2HTTP 协议的实现 : 由于嵌入式 Web 应用页面结构简单 、文件长度小 , 主要实现 Get 和 Post 方法 。 POST 请求可用于对 Web 服务器宿主应用的配置参数 、控制操作等 。 () 3CGI 、JAVA Applet 与动态 Web :除了支持 CGI 文件中以’%xx’为标识的可变数据格式外 ,通过以编译 后的代码形式存储在 Web 文件中的 Applet 可实现动态数据的实时轮询通讯 。 () 4登录与身份识别 :对于需要权限限制的访问和操作 ,可通过基于用户名 —口令对的身份认证 、Cookie 等简单方式控制 。 () 5Web 页管理 :借助于大容量 E2 ,Web 文件采用原始数据的形式存储 。多个 Web 文件可使用MicroChip ) (提供的 MFPS 类似于 DOS 文件系统文件系统进行组织管理 。 3 . 4 IP 电话应用 与普通电话不同 , IP 电话除了语音信号的数字化采集转换和压缩Π解压缩编码外 ,通过 IP 分组交换方式 79 第 2 期缑延军 ,等 :嵌入式系统中的 ENC28J 60 应用 ( 实现信令和语音二类数据传送 。它以 IP 地址作标识 、以 TCPΠIP 协议作通讯基础 、采用专属应用层协议 常 ) 用的有 H. 323 和 SIP。图 6 为基于 ENC28J 60 的 IP 电话机原理框图 。 图 6 IP 电话原理框图 根据 IP 电话语音数据的传输要求具有一定的实时性 、但对少量数据包的丢失有一定的容忍度的特点 ,采用 UDP 作为语音数据的通讯协议 ,通过建立在其上的具有时间戳标识的 H. 323 RTP 应用协议保证音频数 据的实时传输和同步 ; IP 电话的连接需要电话号码 、IP 地址 、MAC 地址的对应 ,其对应关系由关守服务提供 、 IP 电话通过 ICMP 协议与关守服务器通讯获得 ,同时利用 ICMP 与对端电话进行信令通讯 ; IP 电话平时处于 闲置状态 ,工作过程大体分为连接阶段 、通话阶段 、拆线阶段 ,按照主叫和被叫角色的不同 ,应用中分解为摘 机 、拨号 、呼叫 、通话 、挂机和来电振铃 、摘机 、通话 、挂机若干实现 。 4 总结 分析表明 , ENC28J 60 用于小型的嵌入式系统 ,接口简单 、开发方便 、成本低 。除了基本的 MAC 管理和驱 动功能外 , ENC28J 60 的小封装 、低功耗 、SPI 总线接口特别适于基于 MCU 的嵌入式应用 ;Microchip TCPΠIP 协 议栈的支持有利于系统开发成本的降低 、MFPS 文件管理方便了 Web 应用的开发 ; 对于当前流行的通讯转换 器 、仪表等嵌入式 Web server 、交易终端 、IP 电话等不同类型的以太网应用 , ENC28J 60 在协议的配置选择 、主 控流程等方面都具有较好的实现 。当然 ,对于 ENC28J 60 具体使用中缓冲区管理等特点需要特别注意 。 参考文献 : 1 STEVENS W R. 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