基于ENC28J60以太网通信接口的设计与实现

第２５卷第ｌ期２００８年１月机电工程Ｖ０１．２５Ｎｏ．１Ｊａｎ．２００８ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ＆ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮｅＭＡＧＡＺＩＮＥ基于ＥＮＣ２８Ｊ６０以太网通信接口的设计与实现张伟业１，黄云龙２，陈国定１（１．浙江工业大学信息工程学院，浙江杭州３１００１４；２．浙江工业大学浙西分校电子与信息工程系，浙江衢州３２４００６）摘要：利用新型器件ＥＮＣ２８Ｊ６０作为以太网控制器，采用ＰＩＣｌ８Ｆ４５５０作为主控制器，通过ＳＰＩ接口实现了与ＥＮＣ２８Ｊ６０之间的高速通信；在主控器上移植了ＭｉｃｒｏｃｈｉｐＴＣＰ／ＩＰ协议栈，分别建立了基于ｕＤＰ和ＴＣＰ的应用程序，实现了以太网的通信接口，给出了ＥＮＣ２８Ｊ６０与ＰＩｃｌ８Ｆ４５５０连接的应用电路，并把该通信接口应用到电脑绣花机监控系统中，用于接收局域网上的远程主机发来的花样文件并转发给绣花机的控制器。关键词：以太网；ＥＮＣ２８Ｊ６０；串行外围接口中图分类号：ＴＰ３９３文献标识码：Ａ文章编号：１００１—４５５１（２００８）０１—００２８一０３ＥＮＣ２８Ｊ６０ＤｅｓｉｇｎａｎｄｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＥｔｈｅｒｎｅｔｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｅｒｆａｃｅｂａｓｅｄＺＨＡＮＧＷｅｉ—ｖｅｌ，ＨＵＡＮＧｏｎＹｕｎ—ｌｏｎ∥，ＣＨＥＮＧｕｏ—ｄｉｎ９１（１．Ｃｏｆｆｅｇｅｏ，Ｊ咒厂０ｒｍ口￡ｉｏ凡Ｅｎｇｉ几ｅｅｒｉ凡ｇ，ｚ＾呼ｏ，‘ｇＵｎｉ勘ｅｒｓｉ秒妒７１ｅｃｈｎｏｆｏｇｙ，Ｈ。ｎｇｚ矗ｏＭ３１００１４，ｃ＾ｉｎⅡ；２．Ｄｅｐ口ｎ，ｎｅｎｆ矿，Ｒ，ｂｒ玎Ｉ口￡ｉｏｎｎ凡ｄＥｚｅｃｆｒｏ凡ｉｃＥ增ｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔ％ｓ￡ＢｒⅡｎｃ忍ｏ，ｚ矗巧ｉⅡ，咯Ｕｎｉ＂ｅｒｓｉｔ），可丁０ｃ＾ｎｏｆｏ｛量ｙ，Ｑｚ。。＾ｏＭ３２４００６，Ｃ＾ｉｎ。）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓｔｈｅｃｈｉｅｆｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ＰＩＣｌ８Ｆ４５５０ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．ＴｈｅＭｉｃｒｏｃｈｉｐＴＣＰ／ＩＰｓｔａｃｋａｎｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅｗｉｔｈｔｈｅｎｅｗＥｔｈｅｒｎｅｔｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒＥＮＣ２８Ｊ６０ｂｙＳＰＩｏｎｗａｓｒｅｐｌａｎｔｅｄｉｎｔｈｅＰＩＣｌ８Ｆ４５５０，ｔｗｏａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｂａｓｅｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅｄＴＣＰａｎｄＵＤＰｗｅｒｅｃｒｅａｔｅｄ，ｗａｓＥｔｈｅｒｎｅｔｉｎｔｅｒｆａｃｅｗａｓｔｏｗａｓｒｅａｌｉｚｅｄ．ＴｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｔｈａｔｔｈｅＥＮＣ２８Ｊ６０ｗｉｔｈｔｈｅＰＩＣｌ８Ｆ４５５０ｇｉＶｅｎ．ＴｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｆｏｒｍｉｎｇｔｈｅｍＫｅｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｃｏｍｐｕｔｅｒｅｍｂｒｏｉｄｅｒｙｍａｃｈｉｎｅｃｏｎｔｒ０Ｉｓｙｓｔｅｍ，ｆｏｒｒｅｃｅｉｖｉｎｇｃＩｏｃｋ“ＩｅｓｆｒｏｍＰＣｉｎｔｈｅＬＡＮａｎｄｔｍｎｓ—ｔｈｅｃｏｎｔｒ０Ⅱｅｒｏｆｅｍｂｒｏｓｄｅｒｙ．ｗｏｒｄｓ：Ｅｔｈｅｒｎｅｔ；ＥＮＣ２８Ｊ６０；ｓｅｒｉａｌｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｉｎｔｅｒｆａｃｅ（ＳＰＩ）Ｏ前言在嵌入式系统的开发中，比较常用的独立以太网控制器都是为个人计算机系统而设计的，如ＲＴＬ８０１９Ａｓ、ｃｓ８９００Ａ等，这些器件不仅结构复杂、体积大，而且价格相对昂贵。目前市场上大部分以太网控制器封装的引脚数目庞大，ＲＴＬ８０１９Ａｓ、ｃｓ８９００Ａ均为１００脚。ＥＮｃ２８Ｊ６０是美国微芯科技公司近期推出的２８引脚独立以太网控制器，兼容ＩＥＥＥ８０２．３协议，与微控制器的连接采用最高速度可达１０ＭＢ／ｓ的业界标准ｓＰＩ接口，既能提供以太网通信的相应功能，又可以大大简化设计、减小空间、降低成本。本研究介绍基于ＥＮｃ２８Ｊ６０以太网通信接口的设计与实现。１（１）ＩＥＥＥ８０２．３兼容的以太网控制器；（２）集成ＭＡｃ和１０ＢＡｓＥ—Ｔ（３）接收器和冲突抑制电路；（４）支持一个带自动极性检测和校正的１０ＢＡｓＥ—Ｔ端口；（５）支持全双工和半双工模式；（６）可编程在发生冲突时自动重发；（７）可编程填充和ｃＲｃ生成；（８）可编程自动拒绝错误数据包；（９）最高速度可达１０ＭＢ／ｓ的ｓＰＩ接口。ＥＮｃ２８Ｊ６０内部集成具有整形输出滤波器和环回模式功能的物理层，支持全双工和半双工模式，芯片内的８ｋ双端口ＲＡＭ可以自由进行配置，其特殊的过滤器（包括Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ的可编程模式匹配过滤器），可自动评价、接收或拒收ＭａｇｉｃＰａｃｋｅｔ、单播、多播或广播信息包，以减轻主控单片机的处理负荷…。ＰＨＹ；ＥＮＣ２８Ｊ６０以太网控制器ＥＮＣ２８Ｊ６０封装体积小，具有以下特性：收稿日期：２００７—０６—１２作者简介：张伟业（１９８３一），男，安徽宿州人，主要从事计算机先进控制方面的研究。万方数据第１期张伟业，等：基于ＥＮｃ２８Ｊ６０以太网通信接口的设计与实现２以太网通信接口设计与实现２．１硬件电路连接ＥＮｃ２８Ｊ６０可以通过ｓＰＩ方便地和微控制器连接而构成嵌入式以太网通信接口，对于没有ｓＰＩ接口的微控制器也可以通过Ｉ／０口模拟ＳＰＩ的方法实现。ＥＮｃ２８Ｊ６０工作电压为３．３Ｖ的器件，它被设计为易于集成到５Ｖ的系统中。ｓＰＩ的ＣＳ、ＳＣＫ和ＳＩ输入以及ＲＥｓＥＴ引脚都可以承受５Ｖ的电压。如果主控制器运行在５Ｖ电压下，当ＳＰＩ和中断输入由ＥＮｃ２８Ｊ６０上的３．３ＶｃＭＯＳ输出驱动时需要一个单向电平转换器。本研究中采用７４Ｈｃ０８芯片来实现３。３Ｖ到５Ｖ的电平转换。差分接收引脚（ＴＰＩＮ＋／ＴＰＩＮ一）以及差分发送引脚（ＴＰ０ｕＴ＋／ＴＰ０ｕＴ一）与集成变压器带中心抽头的ＲＪ４５插座ＨＲ９０１１７０Ａ连接，ＥＮｃ２８Ｊ６０的内部模拟电路需要在ＲＢＩＡｓ引脚与地之间外接一个２ｋｎ（精度为１％）电阻。为降低功耗，ＥＮｃ２８Ｊ６０中的一些数字电路工作在２．５Ｖ标称电压下，该电压有其内部一个２．５Ｖ稳压器以产生，为使之工作稳定，需在ＶｃＡＰ引脚与地之间连接一个１０¨Ｆ的电容。ＥＮｃ２８Ｊ６０与主控单片机ＰＩｃｌ８Ｆ４５５０以及相应外部器件的连接，如图１所示。，—－１２ＳｏＶＤＤ３．３叫目卧坩ｃ厂］；ＲＥＳＥＴ一Ｕ瑾ＷｏＬＶＣＡＰＩＮＴＲＢＩＡＳ要剖２ｋ１０ｒｅｓｅｔ『＿＋。『１０咎ＴＰＯＵＴ＋ＩＮＴ２三§坠盯ＴＰＯＵＴ－２９ＣＳＲＤ６—畦—一１池１６一ｊ¨ＲＤ７３０ｒｅｓｅＳＩ７ＳＩＳＤｏ三箜Ｉ竖上ＴＰＩＮ＋量蝥ＤＩ量业ＣＳ—畦栅『＿ＳＤＳＣＫ３４８Ｓ０ＳＣＫＴＰｒＮ．簪｜１０４图ｌ以太网通信接口硬件连接２．２ＴＣＰ／ＩＰ协议栈的移植照ＴｃＰ／ＩＰ参考模型来实现的，每层的实现代码驻留在一个独立的源文件中，另外协议栈采用模块化设计，每个模块可以只在使用的时候才被添加到协议栈中，ＭｉｃｒｏｃｈｉｐＴｃＰ／ＩＰ协议栈，如图２所示。与传统ＴｃＰ／ＩＰ协议栈实现方法的不同之处是添加了两个新模块：“ｓｔａｃｋＴａｓｋ”和“ＡＲＰＴａｓｋ”。“ＳｔａｃｋＴａｓｋ”管理协议栈及其所有模块的操作，而“ＡＲＰＴａｓｋ＇＇管理地址解析协议（ＡＲＰ）层的服务。ＭｉｃｒｏｃｈｉｐＴＣＰ／ＩＰ协议栈使用了协同式多任务处理技术。在协同式多任务处理系统中，同时存在多个任务，每个任务在执行自己的作业后万方数据交回控制权，这样下一个任务才能够执行作业。因而“ｓｔａｃｋＴａｓｋ”和“ＡＲＰＴａｓｋ”都是协同式任务。ＭｉｃｒｏｃｈｉｐＴＣＰ／ＩＰ协议栈的应用程序编程接口（ＡＰＩ）是通过头文件或包含文件定义的。“。本研究中使用了ｕＤＰ、ＩｃＭＰ以及ＴｃＰ协议，因此需要在ｓｔａｃｋ—ｔｓｋ．ｈ文件中使用＃ｄｅｆｉｎｅｓＴＡｃＫ—ｕｓＥ—ＩｃＭＰ、＃ｄｅｆｉｎｅＳＴＡＣＫ—ｕＳＥ—ＴＣＰ、＃ｄｅｆｉｎｅＳＴＡＣＫ—ｕｓＥ—ＵＤＰ语句，这样协议栈就会自动添加ＩｃＭＰ、ｕＤＰ、ＴＣＰ模块。ＥＮｃ２８Ｊ６０通过ｓＰＩ和主控制器连接，不同的主控制器的ｓＰＩ接口管脚以及通信操作可能不一样，协议栈中对ｓＰＩ接口的管脚的定义是通过宏定义实现的，对ｓＰＩ接口通信的操作是通过相关的函数来实现的，通过对这两处的修改就可以在协议栈中实现主控制器和ＥＮｃ２８Ｊ６０的ｓＰＩ通信。本研究使用的是Ｍｉｃｒｏ—ｃｈｉｐｌ８系列单片机ＰＩｃｌ８Ｆ４５５０，通过对与协议栈移植相关部分的修改，实现了ＭｉｃｒｏｃｈｉｐＴｃＰ／ＩＰ协议栈到ＰＩＣｌ８Ｆ４５５０上的移植。ＴｃＰ／ＩＰ参考模型Ｍｊｃｒｏｃｈｉｐ协议栈匿图２ＭｉｃｒｏｃｈｉｐＴｃＰ／ＩＰ协议栈２．３以太网通信实现ＥＮＣ２８Ｊ６０和ＰＩｃｌ８Ｆ４５５０通过ｓＰＩ连接来进行通信日１４１，ＰＩｃｌ８Ｆ４５５０对ＥＮｃ２８Ｊ６０的各种操作均通过ｓＰＩ接口进行，包括寄存器的设置，数据的发送和接收。ＰＩＣｌ８Ｆ４５５０的ｓＰＩ工作在主动方式，即ＥＮｃ２８Ｊ６０的ｓＰＩ时钟信号由ＰＩｃｌ８Ｆ４５５０提供，ｓＰＩ通信速率设置成５ＭＢ／ｓ。要实现以太网通信首先要设置ＥＮｃ２８Ｊ６０的ＭＡｃ地址与ＩＰ地址、子网掩码以及网关等，这些参数可以用宏定义放在单片机ＲＯＭ里，也可以以数据的方式放在单片机的Ｅ２ＰＲＯＭ里。在协议栈中，“ＳｔａｃｋＴａｓｋ”和“ＡＲＰＴａｓｋ”函数实现ＡＲＰ和ＩＣＭＰ协议，这两个函数作为必要的任务驻留在无限循环的函数里。设定好ＥＮｃ２８Ｊ６０的ＩＰ地址后，ＰＣ机可以通过ｐｉｎｇ该ＩＰ地址的方式来查看通信接口的ＡＲＰ协议和ＩｃＭＰ协议是否正常。基于ＭｉｃｍｃｈｉｐＴｃＰ／ＩＰ协议栈ｕＤＰ和ＴｃＰ协议的应用程序需要用户根据不同的应用进行编程，本研究实现了一个基于ｕＤＰ的应用程序，通过ｓｓ＝ｕＤ—机电工程第２５卷Ｐ０ｐｅｎ（７４，＆ｒｅｍｏｔｅＮｏｄｅ，６８）建立了一个使用ｕＤＰ的ｓｏｃＫＥＴ连接，本地端口是７４，远程端口是６８，＆ｒｅｍｏｔｅＮｏｄｅ为远程主机信息，在远程主机上使用ｕＤＰ的通信软件已经完成对ｕＤＰ协议的测试。还实现了基于ＴＣＰ的应用程序，通过“ＴｃｐＳｏｃｋｅｔ＝ＴＣＰ“ｓ—ｔｅｎ（８３７６）”语句建立一个ＴｃＰ连接，对端口８３７６进行监听，在远程主机上使用ＴｃＰ通信软件，根据ＥＮＣ２８Ｊ６０的ＩＰ地址和端口８３７６，可以实现和以太网通信接口进行ＴｃＰ通信∞’“。试验证明以太网通信接口的ｕＤＰ、ＴｃＰ通信稳定可靠：以太网通信接口的软件流程图，如图３所示。ｕＤＰ为无连接的服务，只在对数据准确性要求不高的场合使用。而ＴｃＰ协议面向连接，提供可靠的数据传输，但是实现起来较为复杂，代码量也占了整个协议栈代码量的大部分，由于嵌入式系统的应用一般对数据的准确性和实时性要求都比较高，大都使用基于ＴｃＰ的服务。本研究把以太网通信接口应用到电脑绣花机监控系统中就是通过采用基于ＴｃＰ的网络连接这一手段，利用端口８３７６建立了一个ＴｃＰ连接，用于接收远程主机发送的花样文件以及向远程主机发送相关数据等。３结束语符合ＩＥＥＥ８０２．３协议的ＥＮｃ２８Ｊ６０不但能提供以太网通信的相应功能，而且体积小，能够简化设计，从而可以设计出目前最小的嵌入式应用以太网解决方案。本研究采用ＰＩｃｌ８Ｆ４５５０作为主控单片机，设计出了基于ＥＮｃ２８Ｊ６０的以太网通信接口，实现了以太网通信中的ＩｃＭＰ、ｕＤＰ、ＴｃＰ协议。现在已经把该以太网通信接口应用到电脑绣花机监控系统中，试验证明该通信接口运行稳定、可靠。此外，基于ＥＮｃ２８Ｊ６０的嵌入式应用以太网解决方案电路连接简单，功能强大，并且完全符合未来工业以太网控制器的发展趋势，可以应用于通信（ＶｏＩＰ电话适配器）、库存管理、远程诊断／警报系统、保安及遥感／传动器等场合，有着广阔的应用前景。参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）：［１］ＭｉｃｒｏｃｈｉｐＴｅｃｈｎ０１０９ｙＩｎｃ．ＥＮｃ２８Ｊ６０ｓｔａｎｄＡｌｏｎｅＥｔｈｅｒｎｅｔｃｏｎｔｒｏＵｅｒｗｉｔｈｓＰＩＩｎｔｅｒｆａｃｅ［ＥＢ／０Ｌ］．［２００４—１０一２０］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ．ｃｏｍ．［２］ＭｉｃｒｏｃｈｉｐＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｃ．ＭｉｃｒｏｃｈｉｐＴｃＰ／ＩＰｓｔａｃｋ［ＥＢ／０Ｌ］．［２００２—０５—１６］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ．ｃｏｍ．［３］王廷尧．以太网技术与应用［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００５．［４］赵小敏，陈庆章．ＴｃＰ／ＩＰ网络原理与技术［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００６．ｆ５］ＲＡＪＥＮＤＲＡＹ，ＰＲＡＳＨＡＮＴＰ，ＲＡＰＨＡＥＬＦ．ｔｉｏｎ－ｂａｓｅｄＣＳＭＡｐｒｏｔｏｃｏｌｆｏｒｉｎｔｅｇｒａｔｅｄＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＡｒｅｓｅｒｖａ—ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｎｅｔ—ｗｏｒｋｓ［Ｊ］．陈ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｍａｎ，ａｎｄＣｙｂｅｍｅｔｉｃｓ，１９９４，２４（８）：１２４７—１２５８．［６］磊，冯冬芹，金建祥，等．以太网在工业应用中的实时特性研究［Ｊ］．浙江大学学报：工学版，２００４，３８（６）：图３以太网通信接口软件流程图［编辑：李辉］（上接第１３页）由于ＡＲＭ与Ｐｃ／ＡＴ模型在处理器架构上有本质性的差异，在ＡＲＭ平台上构建的Ｐｃ／１０４总线在所有的具体应用中要做到与标准ＰＣ／１０４规范完全兼容几乎是不可能的，但是在特定的应用需求及确定的操作系统下，这种努力是完全可行并且有效的。对于使用Ｐｃ／ＡＴ模型Ｉ／０端口资源的Ｐｃ／１０４设备，Ｌｉｎｕｘ通过内核驱动以存储器地址实现访问，会造成访问效率的显著下降。另外，在使用遵守ＩｓＡＰｎＰ（Ｐｌｕｇ规范的设备时，也存在较多的困难。［５］参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）：ａｎｄ１９—２０．［２］Ｐｃ／１０４Ｅｍｂｅｄｄｅｄｃｏｎｓｏｎｉｕｍ．Ｐｃ／１０４ｓｐｅｃ讯ｃａｔｉｏｎｓｉｏｎＶｅ卜２．５［Ｍ］．ｓａｎＦｒａｎｃｉｓｃｏ：Ｐｃ／１０４Ｅｍｂｅｄｄｅｄｃｏｎｓｏｎｉ—ｕｍ．２００３．［３］杨素行．微型计算机系统原理及应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，１９９５．［４］ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥ１ｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｓ，Ｐ９９６，ＩｓＡＢｕｓＴｉｍｉｎｇＩｎｃ．ＩＥＥＥＰｌａｙ）Ｄｉａｇｒａｍｓ［Ｍ］．ＮｅｗＹｏｒｋ：ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥ１ｅｃｔ“ｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｓ，Ｉｎｃ，１９９９．毛德操，胡希明．Ｌｉｎｕｘ内核源代码情景分析［Ｍ］．杭州：浙江大学出版社，２００１．［１］梁军兵，赵鸿鸣，金建祥．基于ＡＲＭ处理器的Ｐｃ／１０４处理器模块的开发［Ｊ］．工业控制计算机，２００４，１７（１２）：［６］刘洋，李兰英．ｕ＿ｂｏｏｔ的启动流程分析［Ｊ］．科技资讯，２００６（２９）：１１０一１１１．［编辑：李辉］万方数据基于ENC28J60以太网通信接口的设计与实现作者：作者单位：张伟业，黄云龙，陈国定，ZHANGWei-ye，HUANGYun-long，CHENGuo-ding张伟业,陈国定,ZHANGWei-ye,CHENGuo-ding(浙江工业大学,信息工程学院,浙江,杭州,310014，黄云龙,HUANGYun-long(浙江工业大学浙西分校,电子与信息工程系,浙江,衢州,324006机电工程MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGMAGAZINE2008,25(17次刊名：英文刊名：年，卷(期：被引用次数：参考文献(6条1.陈磊;冯冬芹;金建祥以太网在工业应用中的实时特性研究[期刊论文]-浙江大学学报（工学版）2004(062.RAJENDRAY;PRASHANTP