基于ENC28J60的以太網接口的設計與實現

劉宗銘，卓振泰，何明華*

(1.福州大學物理與信息工程學院，福州350002;2.福州大學電氣工程與自動化學院，福州350002)

隨著計算機網絡技術的快速發展，單個單片機系統越來越難以滿足實際應用的需求，傳統的單片機多機互聯一般是基于RS232串行通信，該方式的通信速率較低，一般為9 600 bit/s;而且通信距離短，一般不能超過15 m［1］。如今在智能家居、控制等領域，以單片機為核心的各種智能監控、測試系統因其高性價比等原因正得到越來越廣泛的應用，尤其是智能家居系統遠程監控的提出，將家居監控控制系統與互聯網的結合推向了新的高層。而智能家居的聯網就需要有一個高效、穩定，主要是廉價的以太網接口設備［2-3］。

以太網是目前應用非常廣泛的網絡通信技術，借助以太網技術實現單片機與Internet的數據通信，此技術適應不同應用場合的需求，比如可以很好地解決傳統的智能家居系統以太網接口的成本問題［4］。本文將通過單片機和ENC28J60芯片實現單片機系統和Internet的數據通信，這對與嵌入智能家居系統的發展有著重要的作用。

1 系統總體框架

1.1 模塊介紹

目前市面上最小的嵌入式應用以太網解決方案就是ENC28J60以太網控制器，它符合IEEE 802.3協議標準。該芯片采用10 Mbit/s的SPI(Serial Peripheral Interface)接口，內部具有8 kbyte雙端口SRAM緩沖器，可實現對編程信息包高效存儲，檢索以及修改，有利于提高系統的傳輸性能［5-7］。

ENC28J60是Microchip Technology(美國微芯科技公司)推出的符合IEEE 802.3協議規范的一款芯片。ENC28J60是28引腳獨立以太網控制器，帶有行業標準的SPI接口，并集成了媒體訪問控制器和10BASE-T以太網物理層器件，支持全雙工和半雙工模式，可編程填充和CRC生成，可編程8 kbyte雙端口SRAM緩沖器，可配置發送/接收緩沖器的大小，具有硬件管理的循環接受FIFO。在它內部還提供了一個DMA模塊，可以實現數據的快速吞吐，數據傳輸速率高達10 Mbit/s［8-10］。ENC28J60和主控制器的通信通過SPI接口實現，這使得嵌入式應用系統的以太網接口變得靈活簡單。

1.2 系統設計架構圖

ENC28J60采用標準的SPI串行接口，4條線與主控單片機連接。當SCK為上升沿時命令和數據可通過SI引腳送入器件。在SCK的下降沿從SO引腳輸出數據。當執行操作時/CS引腳始終保持低電平，操作完成時恢復高電平［11］。由于主控制器運行在5 V電壓下，當SPI和中斷輸入由ENC28J60上的3.3 V輸出驅動時，它可能不符合規范要求，因此需要一個單向電平轉換器。這里使用一個廉價的帶有TTL電平輸入緩沖器的5VCMOS芯片74HCT08(4與門)來提供必要的電平轉換。如圖1，是系統整體框圖。

圖1 系統整體框圖

2 系統設計的實現

2.1 系統電源設計

要實現整個系統的工作，主要的問題就是需要設計電源電路和復位電路。在系統中由于單片機工作在5 V電壓，而ENC28J60是工作在3.3 V電壓下的，為了此系統可以正常工作，必須給系統統一供電。因此必須設計一個5 V轉3.3 V的電源電路，在系統中電源電路采用專用電源芯片AMS1117-3.3，實現電壓的轉換。為系統提供所需的5 V和3.3 V工作電壓，圖2所示為系統電源電路。

圖2 系統電源電路

2.2 系統硬件電路設計

ENC28J60可以通過SPI方便地和微控制器連接而構成嵌入式以太網通信接口，對于沒有SPI接口的微控制器也可以通過I/O口模擬SPI的方法實現。本設計是基于 STC89C52、ENC28J60和HR911105A的以太網通訊卡設計。并應用C51編程實現數據的網絡通信。ENC28J60工作電壓為3.3 V的器件，它被設計為易于集成到5 V的系統中。SPI的CS、SCK和SI輸入以及RESET引腳都可以承受5 V的電壓。因為主控制器運行在5 V電壓下，因此當ENC28J60上的3.3V CMOS輸出驅動單片機SPI模擬端口和中斷輸入口時需要一個單向電平轉換器。系統中采用74HC08芯片來實現3.3V到5 V的電平轉換［12］。

差分接收引腳(TPIN+/TPIN-)以及差分發送引腳(TPOUT+/TPOUT-)與集成變壓器帶中心抽頭的RJ45插座HR911105A連接，ENC28J60的內部模擬電路需要在RBIAS引腳與地之間外接一個2 kΩ(精度為1%)電阻。為降低功耗，ENC28J60中的一些數字電路工作在2.5 V標稱電壓下，該電壓有其內部一個2.5 V穩壓器以產生，為使之工作穩定，需在VCAP引腳與地之間連接一個10 μF的電容。ENC28J60與主控單片機STC89C52以及相應外部器件的連接，如圖3所示。

STC89C52單片機通過SPI和以太網控制器ENC28J60相連，這樣完成了單片機與以太網之間數據的發送和接收。單片利用I/O口模擬SPI接口與ENC28J60通信，并完成了對ENC28J60的控制和發送/接收緩沖區的讀寫。以太網接口選用帶有網絡隔離變壓器功能的HR911105A來實現。LEDA和LEDB引腳支持復位時的自動極性檢測?？梢栽谶@兩個引腳上，以拉電流或灌電流點亮LED的兩種方式連接LED。系統復位時，ENC28J60將檢測LED的連接方式，并將LED驅動為PHLCON寄存器配置的默認狀態。如果在ENC28J60運行時改變LED的極性，新極性將在下一次系統復位時才能被檢測到。復位時會自動讀取LEDB上LED的連接狀態，并確定如何初始化PHCON1.PDPXMD位。如果引腳采用拉電流的方式點亮LED，則復位時此位清零且PHY默認為在半雙工模式下運行。如果引腳采用灌電流的方式點亮LED，則復位時此位置1且PHY默認為在全雙工模式下運行。如果LEDB引腳上沒有連接LED，則PDPXMD位將復位為不確定值。在此設計中使用的是拉電流方式點亮LED的。

圖3 硬件電路圖

2.3 軟件設計

以太網設備驅動是嵌人式網關的基礎，ENC28J60驅動就是通過對其片內存儲器的訪問和控制，實現MAC幀的發送和接收ENC28J60的片內存儲器分為控制寄存器、PHY寄存器、以太網緩沖器。ENC28J60使用包括初始化、發送和接收。

2.3.1 ENC28J60初始化

ENC28J60初始化流程如圖4所示，過程主要包括:進行根據應用特點配置收發緩沖區，根據應用配置相應的接收過濾組合，對MAC進行初始化設置，對PHY進行初始化設置。在使用ENC28J60接收數據包前必須對8 kbyte雙端口SRAM緩沖器進行初始化，因此要對接收緩沖器起始地址ERXST指針和結束地址ERXND指針編程。所有未被用作接收緩沖器的存儲空間都作為發送緩沖器，同時通過設置接收過濾控制寄存器ERXFCON，使能或禁止相應的接收過濾器。系統上電復位后須查詢以太網狀態寄存器ESTAT的CLKRDY位，確保設置MAC和PHY寄存器前有足夠延時。若CLKRDY為1，表示PHY準備就緒，可對MAC和PHY寄存器進行相應設置。

圖4 初始化ENC28J60流程圖

2.3.2 ENC28J60接收

接收過程主要包括接收設置與啟動，內部接收與過濾，數據包讀取與處理。接收啟動后，內部自動進行接收和過濾，未濾除的數據包寫人循環接收緩沖器(其存儲結構包括一個報頭、實際包數據、可能的填充字節)并產生中斷;通過中斷服務分析報頭，讀取實際包數據。ENC28J60的數據接收程序流程圖如圖5所示。

圖5 接收數據包流程圖

2.3.3 ENC28J60發送

發送過程主要包括:發送準備，發送，發送異常處理。ENC28J60自動生成前導符和幀起始定界符、最小包的填充和有效CRC追加。在發送準備過程中需要進行最小包填充設置，CRC追加設置，包控制字節輸人，以及MAC幀有效字段輸人。發送過程是內部過程。當發送異常中止時，需要根據MAC模塊自動產生的7 byte發送狀態向量進行相應處理。如圖6所示，即為 ENC28J60的數據發送程序流程圖。

圖6 發送數據包流程圖

3 實驗結果與分析

ENC28J60是目前體積最小的以太網控制芯片，它能提供以太網通信的相應功能，而且體積小，可以根據需要設計出體積較小的網關模塊。文中采用51單片機及符合國際電工電子委員會制定的IEEE802.3協議的網絡芯片ENC28J60為硬件平臺，實現了單片機上的以太網通信。PC設計好的網口與路由器連接后，通過PC機可以與單片機ping通。如圖7為PC機ping通單片機IP的現象，實驗結果數據如表1所示。

圖7 PC機ping通單片機IP

表1 實驗數據

從表1中可以看出PC機向單片機發送4個測試數據包，測試結果丟包率為0，說明網絡狀態相當的良好。實際應用結果表明，設計的以太網通信接口通信可靠性高、配置靈活，適合于嵌入式智能家居控制領域使用。用上述方法構建的通信網關可實現以太網與SPI總線之間的協議轉換，為以太網與SPI總線網絡的互聯提供了一種傳輸速度快，成本低，穩定性和安全性高的解決方案。

4 結論

本設計的創新之處就在于應用ENC28J60構成嵌入式以太網模塊電路，克服了市場上已有以太網控制器封裝引腳多的缺點，簡化了設計，減小了占板空間。由此可以看出ENC28J60是極具特色的獨立以太網控制器。由ENC28J60構成的嵌入式以太網模塊電路連接簡單，而且功能強大。它與目前大多數的以太網控制器相比具有明顯的優勢:無需外擴地址，無需外擴數據總線。并且可以根據需要配合不同的微控制器將模塊做到足夠小的尺寸。這完全符合未來工業以太網控制器的發展趨勢?；贓NC28J60的以太網接口設計，電路設計簡單，功能強大，可以靈活的應用于通信行業、遠程診斷、遠程安保報警系統及智能家居遠程監控控制等場合，完全符合未來以太網控制器的發展趨勢，具有十分廣闊的運用前景。

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