張慶輝，馬延立

（河南工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001）

引 言

隨著以太網(wǎng)技術(shù)的普及和發(fā)展，基于以太網(wǎng)的應(yīng)用接口設(shè)備也迅速普及到醫(yī)療設(shè)備、工廠電力系統(tǒng)等領(lǐng)域。嵌入式以太網(wǎng)系統(tǒng)不但可以通過(guò)Internet將通信距離無(wú)限擴(kuò)大，使得大量數(shù)據(jù)的快速傳輸成為可能，還可以實(shí)現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換，為智能化、模塊化的嵌入式設(shè)備的實(shí)現(xiàn)提供了一種新途徑。然而，嵌入式以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)的核心器件是網(wǎng)絡(luò)控制芯片，其性能優(yōu)劣直接影響網(wǎng)絡(luò)通信的效率。

本文采用基于32位Cortex－M3內(nèi)核的STM32F103VET6微處理器和高性能的以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60實(shí)現(xiàn)高性能、高可靠性的嵌入式以太網(wǎng)通信接口設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)各功能模塊容易擴(kuò)展和升級(jí)。

1 STM32F103VET6和ENC28J60簡(jiǎn)介

STM32F103VET6是32位Cortex－M3內(nèi)核的新型處理器。它具有更多片內(nèi)RAM和外設(shè)，其出色的性能和豐富的資源幾乎不需要擴(kuò)展外圍電路就能滿足一般的設(shè)計(jì)要求，硬件設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化，且執(zhí)行速度和內(nèi)存容量完全滿足主控模塊的多任務(wù)實(shí)時(shí)應(yīng)用。

ENC28J60是Microchip公司推出的28引腳獨(dú)立以太網(wǎng)控制芯片，可為嵌入式應(yīng)用提供低引腳數(shù)、低成本且高效易用的遠(yuǎn)程通信解決方案。ENC28J60采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行接口，只需4條連線即可與主控單片機(jī)連接。ENC28J60以太網(wǎng)控制器的主要功能包括：

① 符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)置10Mbps以太網(wǎng)物理層器件（PHY）及媒介接入控制器（MAC），可按業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議可靠地收發(fā)信息包數(shù)據(jù)。

② 可編程過(guò)濾功能。特殊的過(guò)濾器包括可編程模式匹配過(guò)濾器，可自動(dòng)評(píng)價(jià)、接收或拒收Magic Packe的單播、多播或廣播信息包，以減輕主控單片機(jī)的處理負(fù)荷。

③ 最高速度可達(dá)10MB／s的SPI接口。

④ 可編程8KB雙端口SRAM緩沖器，以高效的方式進(jìn)行信息包的存儲(chǔ)、檢索和修改，以減輕主控單片機(jī)的內(nèi)存負(fù)荷。該緩沖器提供了靈活可靠的數(shù)據(jù)管理機(jī)制[1]。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

ENC28J60可以通過(guò)SPI接口方便地和微處理器連接而構(gòu)成嵌入式以太網(wǎng)通信接口，對(duì)于沒(méi)有SPI接口的微處理器也可以通過(guò)I／O口模擬SPI的方法實(shí)現(xiàn)。STM32F103VET6內(nèi)部含有3個(gè)SPI接口，可以很方便地實(shí)現(xiàn)與ENC28J60的連接。STM32F103VET6SPI引腳連接圖如圖1所示。

圖1 STM32F103VET6SPI引腳連接圖

ENC28J60具有上電復(fù)位功能，一旦VDD上升到某個(gè)門限值后，就會(huì)在片內(nèi)產(chǎn)生上電復(fù)位脈沖，當(dāng)VDD上升到足夠器件工作電壓時(shí)，器件會(huì)以初始化狀態(tài)啟動(dòng)，在器件正常工作期間，RESET引腳的內(nèi)部弱上拉將會(huì)使引腳保持邏輯高電平，在系統(tǒng)上電復(fù)位后不應(yīng)立即發(fā)送數(shù)據(jù)或訪問(wèn)到MAC、MII或PHY寄存器，至少應(yīng)延遲10ms。通過(guò)查詢ENC28J60狀態(tài)寄存器ESTAT中的CLKRDY位來(lái)確定系統(tǒng)是否準(zhǔn)備好是不可靠的，最好將復(fù)位引腳連接到單片機(jī)的引腳，通過(guò)軟件延時(shí)來(lái)使系統(tǒng)可靠復(fù)位[2]。

ENC28J60內(nèi)部集成了2.5V穩(wěn)壓器，要使之工作穩(wěn)定，需要在VCAP引腳與地之間外接一個(gè)10μF電容；由于ENC28J60內(nèi)部穩(wěn)壓器無(wú)法驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載，所以電源引腳必須與同一個(gè)3.3V電源相連，并且在每個(gè)電源引腳與地之間都應(yīng)連接一個(gè)0.1μF的磁片電容，而且電容應(yīng)盡可能靠近引腳。

硬件電路連接如圖2所示。根據(jù)ENC28J60的工作頻率要求，需在OSC1和OSC2引腳間連接25MHz晶振及接地電容。ENC28J60的內(nèi)部模擬電路需要在RBIAS引腳與地之間外接一個(gè)1kΩ的電阻。以太網(wǎng)變壓器在實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接口操作時(shí)是不可缺少的，在差分發(fā)送引腳（TPOUT＋／TPOUT－）上，需要外接一個(gè)帶有中心抽頭的1∶1脈沖變壓器[3]。變壓器應(yīng)具有2kV以上的電壓隔離性能，以防止靜電干擾。本設(shè)計(jì)采用的是集成以太網(wǎng)隔離變壓器RJ45插座HR911105A。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 STM32標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)介紹

STM32（即STM32F10系列芯片，包括了本文所用的芯片）標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)也稱固件函數(shù)庫(kù)或固件庫(kù)，是一個(gè)固件函數(shù)包，它由程序、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和宏組成，包括了微處理器所有外設(shè)的性能特征。該函數(shù)庫(kù)還包括每一個(gè)外設(shè)的驅(qū)動(dòng)描述和應(yīng)用實(shí)例，為開發(fā)者訪問(wèn)底層硬件提供了一個(gè)中間API，通過(guò)使用固件函數(shù)庫(kù)，無(wú)需深入掌握底層硬件細(xì)節(jié)，就可以輕松應(yīng)用每一個(gè)外設(shè)。因此，使用固件函數(shù)庫(kù)可以大大減少用戶的程序編寫時(shí)間，進(jìn)而降低開發(fā)成本。該固件庫(kù)中的每個(gè)外設(shè)驅(qū)動(dòng)都由一組函數(shù)組成，這組函數(shù)覆蓋了該外設(shè)的所有功能，并且每個(gè)器件的開發(fā)都有一個(gè)通用API驅(qū)動(dòng)，API對(duì)該驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)、函數(shù)和參數(shù)名稱都進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化[4]。

在實(shí)際開發(fā)過(guò)程中，根據(jù)應(yīng)用程序的需要，可以采取2種方法使用標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)：

① 使用外設(shè)驅(qū)動(dòng)：這時(shí)應(yīng)用程序開發(fā)基于外設(shè)驅(qū)動(dòng)的 API。用戶只需要配置文件“stm32f10x＿conf.h”，并使用相應(yīng)的文件“stm32f10x＿ppp.h／.c”即可。

② 不使用外設(shè)驅(qū)動(dòng)：這時(shí)應(yīng)用程序開發(fā)基于外設(shè)的寄存器結(jié)構(gòu)和位定義文件。

使用標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)進(jìn)行開發(fā)可以極大地減少軟件開發(fā)的工作量，也是目前嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一個(gè)趨勢(shì)。

3.2 ENC28J60初始化配置

圖2 硬件電路連接圖

ENC28J60控制寄存器中最基本和重要的5個(gè)寄存器是：EIE、EIR、ESTAT、ECON2和ECON1。

EIE：以太網(wǎng)中斷使能控制寄存器，分為總中斷使能和各部分使能控制。

EIR：以太網(wǎng)中斷標(biāo)志寄存器，在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)根據(jù)不同的標(biāo)志位進(jìn)入不同的執(zhí)行程序。

ESTAT：以太網(wǎng)狀態(tài)寄存器，反映以太網(wǎng)當(dāng)前的數(shù)據(jù)碰撞、忙信息、錯(cuò)誤信息、時(shí)鐘狀態(tài)等信息。

ECON2：以太網(wǎng)輔助控制寄存器，設(shè)置數(shù)據(jù)指針、芯片節(jié)能等。

ECON1：以太網(wǎng)主控制寄存器，這個(gè)是芯片最常用的寄存器，主要用來(lái)設(shè)置不同層的寄存器空間[5]。

在使用ENC28J60發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包時(shí)，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。ENC28J60的初始化主要是對(duì)其接收和發(fā)送緩沖器、接收過(guò)濾器、晶振啟動(dòng)時(shí)間、MAC寄存器、PHY寄存器進(jìn)行設(shè)置。初始化ENC28J60之前，先關(guān)閉單片機(jī)的中斷輸入，對(duì)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。對(duì)于以太網(wǎng)傳輸部分來(lái)說(shuō)，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[6]。

通過(guò)向STM32F103VET6的SPI緩沖器寫入相應(yīng)格式的命令代碼，可實(shí)現(xiàn)與ENC28J60的數(shù)據(jù)通信。需要指出的是，對(duì)PHY寄存器不能通過(guò)SPI口直接讀寫，而是通過(guò)特殊的MII寄存器來(lái)完成讀寫操作。

3.3 SPI操作及ENC28J60收發(fā)數(shù)據(jù)包

ENC28J60與STM32F103VET6的連接是通過(guò)SPI實(shí)現(xiàn)的，STM32F103VET6可通過(guò)SPI接口發(fā)送命令，訪問(wèn)ENC28J60的相關(guān)寄存器來(lái)完成相應(yīng)的操作。下面給出SPI讀／寫數(shù)據(jù)，以及ENC28J60接收／發(fā)送數(shù)據(jù)包的部分源代碼：

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)配置生成填充和CRC字段。但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。ENC28J60發(fā)送數(shù)據(jù)包主要源代碼如下：

ENC28J60收到一個(gè)完整的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包后，會(huì)向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，CPU響應(yīng)ENC28J60的中斷申請(qǐng)后，系統(tǒng)將進(jìn)入中斷服務(wù)程序并開始接收數(shù)據(jù)。ENC28J60接收數(shù)據(jù)包主要源代碼如下：

結(jié) 語(yǔ)

由ENC28J60構(gòu)成的嵌入式以太網(wǎng)接口電路25 連接簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，與目前大多數(shù)需要并行數(shù)據(jù)和地址總線的以太網(wǎng)相比，不需要外擴(kuò)地址和數(shù)據(jù)總線，并且完全符合未來(lái)工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。此外，本設(shè)計(jì)應(yīng)用在智能儀表中，可使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備方便地接入以太網(wǎng)，以便更好地實(shí)現(xiàn)管控一體化；克服了市場(chǎng)上已有以太網(wǎng)控制器封裝引腳多的缺點(diǎn)，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，減小了占板空間。該接口電路實(shí)現(xiàn)方便，可以廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域。

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