網(wǎng)絡單片機PIC18F97J60的開發(fā)與應用

1 PICl8F97J60網(wǎng)絡單片機
1．1 網(wǎng)絡特性
    PICl8F97J60系列器件具有嵌入式以太網(wǎng)控制器模塊。這是一個完整的連接解決方案，完全實現(xiàn)了介質(zhì)訪問控制(Media Access Control，MAC)和物理層收發(fā)器(Physical Layer Transcei、ver，PHY)模塊，只需使用2個脈沖變壓器和一些無源元件就可以將單片機直接與以太網(wǎng)相連。以太網(wǎng)模塊符合IEEE 802．3中所有關于雙絞線網(wǎng)絡10Base—T連接的規(guī)定。它在內(nèi)部實現(xiàn)了一些數(shù)據(jù)包過濾機制，用于限制傳入的數(shù)據(jù)包。它提供了一個用于實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐的內(nèi)置DMA模塊，以及硬件IP校驗和計算；另外還提供了2個用于指示鏈路和網(wǎng)絡活動的LED輸出。以太網(wǎng)模塊包含以下5個主要功能模塊：
    ①PHY收發(fā)器模塊——對傳輸雙絞線接口上的模擬數(shù)據(jù)進行編碼和解碼，并通過網(wǎng)絡發(fā)送和接收；
    ②MAC模塊——實現(xiàn)了符合IEEE 802．3規(guī)范的MAC邏輯，并提供了用于控制PHY的MIIM(Media In—dependent Interface Management)；
    ③獨立的8 KB RAM緩沖區(qū)——用于存儲已經(jīng)接收和將要發(fā)送的數(shù)據(jù)包；
    ④判優(yōu)器——在單片機內(nèi)核、DMA、發(fā)送和接收模塊發(fā)出請求時，控制對RAM緩沖區(qū)的訪問；
    ⑤寄存器接口——用作以太網(wǎng)模塊和單片機特殊功能寄存器(SFR)之間命令和內(nèi)部狀態(tài)信號的譯碼器。
1．2 應用實例
    圖1表明，基于互聯(lián)網(wǎng)的遠程控制系統(tǒng)是由連接互聯(lián)網(wǎng)的主PC機和監(jiān)測裝置構成的。其中，監(jiān)測裝置代表某個接入網(wǎng)絡的嵌入式系統(tǒng)，它既可以是工控應用中的溫度、壓力及流量等監(jiān)控設備，也可以是家庭應用中的網(wǎng)絡家電等。網(wǎng)絡單片機為該監(jiān)測裝置的核心，其不僅可以采集和處理溫度或流量等傳感器數(shù)據(jù)，還具有嵌入式網(wǎng)關的功能，可以實現(xiàn)監(jiān)測裝置的網(wǎng)絡接入?；ヂ?lián)網(wǎng)上的主PC機通過Web形式訪問監(jiān)測裝置，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

2 開發(fā)工具
2．1 PICDEM．net2開發(fā)板
    PICDEM．net．2開發(fā)板除了包含PICl8F97J60核心器件外，與網(wǎng)絡接入有關的功能還包括：串行EEPROM提供256 Kb(32 KB)存儲空間，可以用來存儲網(wǎng)頁和一些配置信息；可以通過SPI接口編程；RJ一45(10Base一T)標準連接器，其J1連接到PICl8F97J60；RJ一1l(6線)標準連接器，用于通信和器件編程或調(diào)試的USB連接；串口RS232，可以用來配置芯片的IP和以太網(wǎng)地址，也可以用來下載新的網(wǎng)頁到EEPROM等。
    此外，開發(fā)板還提供了Mirochip公司的獨立以太網(wǎng)控制器ENC28J60，用來開發(fā)不帶以太網(wǎng)控制器的單片機，可通過標準的SPI接口連接。開發(fā)板提供的其他設備包括LCD顯示器、LED指示燈、按鈕開關、溫度傳感器、用于連接擴展卡的插座或邊緣連接器、實驗用布線區(qū)(面包板)及電源等。
    通過PICDEM．net2開發(fā)板可以方便地開發(fā)各種定制的PICl8F97J60應用系統(tǒng)，經(jīng)裁剪或擴充，完成應用系統(tǒng)的硬件電路設計。[!--empirenews.page--]
2．2 在線調(diào)試器MPLAB ICD2
    選擇MPLAB ICD2作為在線調(diào)試器和燒寫器。Microchip公司提供的在線調(diào)試器MPIAB ICD2是一款功能強大而成本低的運行時開發(fā)工具，通過RS232或高速USB接口與主PC機相連。與ICE相比，其仿真功能有一些限制，但有如下突出的優(yōu)點：在產(chǎn)品量產(chǎn)后，只要保留6芯插針，就可直接與ICD2相連；ICD2可以在目標應用中對固件再編程，而不需要其他在線燒寫器設備。通信方式使用默認的USB接口方式。為了避免目標板負載過重對ICD2帶來損害，應采用目標板獨立供電。
2．3 Microchip TCP／IP協(xié)議棧
    Microchip公司提供免費的TCP／IP軟件棧，為應用開發(fā)提供了便利。Microchip TCP／IP協(xié)議棧是一套程序，它服務于標準的、基于TCP／IP的應用程序，或者應用在定制的、基于TCP／IP的應用程序中。本應用系統(tǒng)使用的是該協(xié)議棧的4．02版本。
    類似于TCP／IP參考模型，Microchip TCP／IP協(xié)議棧將TCP／IP協(xié)議棧分為多層，如圖2所示。每層的實現(xiàn)代碼駐留在一個獨立的源文件中，而服務和應用程序編程接口(API)是通過頭文件或包含文件定義的。與TCP／IP參考模型不同的是，Microchip TCP／IP協(xié)議棧中的許多層可以直接訪問在它下面的一層或多層。關于一個層是否繞過相鄰模塊來獲得所需的服務，主要根據(jù)開銷的大小，以及服務是否需要智能處理后才能傳遞到下一層來決定。與傳統(tǒng)TCP／IP協(xié)議棧實現(xiàn)方法的不同之處是添加了2個新模塊：StackTask和ARPTask。Stackrrask管理協(xié)議棧及其所有模塊的操作，而ARPTask管理地址解析協(xié)議(Address ResohJtion Protocol，ARP)層的服務。Microchip TCP／IP協(xié)議棧使用了協(xié)同式多任務處理技術。在協(xié)同式多任務處理系統(tǒng)中，同時存在多個任務，每個任務執(zhí)行自己的作業(yè)然后交回控制權，這樣下一個任務才能夠執(zhí)行作業(yè)。StackTask和ARPTask都是協(xié)同式任務。Microchip TCP／IP協(xié)議棧盡管沒有實現(xiàn)通常TCP／IP協(xié)議棧中的所有模塊，但是在需要時可以將它們作為單獨的任務或模塊來實現(xiàn)。

2．4 Stack Manager
    Microchip TCP／IP協(xié)議棧由多個模塊組成。在使用模塊之前，用戶必須查閱并了解它的用途和API。函數(shù)的語法、參數(shù)、返回值、前提條件等具體問題可以在編程時針對具體的問題單獨查閱。
    使用Microchip TCP／IP協(xié)議棧的任何應用程序都必須執(zhí)行一定的步驟，以確保在適當?shù)臅r間調(diào)用相應的模塊(例如IP、TCP、UDP和ICMP)。無論主應用程序邏輯如何，管理協(xié)議棧模塊的任務都始終相同。
    為了減輕主應用程序管理各個模塊的負擔，Micro—chip TCP／IP協(xié)議棧使用了一個特殊的應用程序?qū)幽K，稱為“StackTask”或“Stack Manager”。Stack Manager以協(xié)同式任務處理方式來實現(xiàn)。被賦予處理時間后，它將輪詢MAC層是否存在有效的數(shù)據(jù)包。若接收到一個包，它將對其進行解碼并路由到相應的模塊做下一步的處理。
    Stack Manager。不是Mirochip TCP／IP協(xié)議棧的一部分，它與協(xié)議棧一起提供給用戶。這樣主應用程序除了自己的工作以外，不需要管理協(xié)議棧模塊。執(zhí)行StackManager任務之前，必須通過調(diào)用StackInit()函數(shù)來對其進行初始化。這個函數(shù)按正確的順序初始化Stack Man—ager變量和各個模塊。一旦調(diào)用Stacklnit()，主程序就必須定期調(diào)用StackTask()函數(shù)，以確保及時處理所有進入的包，以及所有的超時和錯誤條件。[!--empirenews.page--]
2．5 MicrOChip HTTP服務器
    Microehip HTTP服務器以協(xié)同式任務處理方式實現(xiàn)，它與Microchip TCP／IP協(xié)議棧以及用戶的主應用程序共存。這個服務器自身在源文件“HTTP．c”中實現(xiàn)，使用一個用戶應用程序?qū)崿F(xiàn)2個回調(diào)函數(shù)。
    這里提供的HTTP服務器不會實現(xiàn)所有的HTTP功能，它是面向嵌入式系統(tǒng)的最小型服務器。用戶可以按需要方便地添加新功能。HTTP服務器主要功能包括：支持位于內(nèi)部程序存儲器或外部串行EEPROM中的網(wǎng)頁、簡單文件系統(tǒng)(MPFS)、動態(tài)網(wǎng)頁內(nèi)容生成和基于PC的程序，以及從給定目錄創(chuàng)建MPFS映像等。
    對于Microchip協(xié)議棧及其HTTP服務器，特定格式是MPFS。如果MPFS映像要存儲在外部EEPROM中，則可能需要在應用程序中包含編程方法。HTTP服務器使用文件“index．htm'’作為它的缺省網(wǎng)頁。這要求所有應用程序都將名為“index．htm"的文件作為它們MPFS映像的一部分。

3 系統(tǒng)開發(fā)過程
3．1 動態(tài)HTTP頁面生成
    本應用系統(tǒng)實例中服務器端網(wǎng)頁的設計涉及2項網(wǎng)頁開發(fā)技術：AJAX和CGI。篇幅所限，網(wǎng)頁編程代碼略。AJAX全稱為“Asynchronoous JavaScript and XML”(異步JavaScript和XML)，是指一種創(chuàng)建交互式網(wǎng)頁應用的網(wǎng)頁開發(fā)技術。與傳統(tǒng)的Web應用不同，AJAX應用可以僅向服務器發(fā)送并取回必需的數(shù)據(jù)，它使用SOAP或其他一些基于XML的web service接口，并在客戶端采用JavaScript處理來自服務器的響應。因為在服務器和瀏覽器之間交換的數(shù)據(jù)大量減少，因此就能看到響應更快的應用。同時，很多的處理工作可以在發(fā)出請求的客戶端機器上完成，所以web服務器的處理時間也縮短了。
    CGI(Common Gate Interface，通用網(wǎng)關接口)是Web服務器與客戶端HTML頁面的接口。通俗地講，CGI就像是一座橋，把網(wǎng)頁和Web服務器中的執(zhí)行程序連接起來，把HTML接收的指令傳遞給服務器，同時把服務器執(zhí)行的結果返還給HTML頁。CGI可以實現(xiàn)處理表格、據(jù)庫查詢、送電子郵件等許多操作，常見的cGI就是計數(shù)器。CGI使網(wǎng)頁不再是靜態(tài)的，而變成是交互式的。
3．2 集成環(huán)境設計
    MPLAB IDEv8．OO提供了一個編程環(huán)境，由于使用C語言編程，故下載并安裝了免費的C編譯器MPLAB—C18一Student Edition—v3_16．exe。MPLAB集成環(huán)境是Micro—chip公司為其所有的開發(fā)工具研發(fā)的，使用前需要選擇MPLAB ICD2。ICD2可以充當調(diào)試器和燒寫器，debug—ger和programmer在菜單中都可以進行選擇。在debug—ger模式下，Program按鈕表示把目標文件和監(jiān)控程序一起燒寫入待調(diào)試的MCU中。
    MPLAB ICD2通過USB線連接主機，但不能使用默認的驅(qū)動。手動在MPLAB IDE軟件中找到ICD2_USB驅(qū)動。這個路徑包含1CD2W2K．INF、ICD2W2K．SYS、ICD2W2K L．SYS等文件。
    運行MPLAB．exe后，選擇PICl8F97J60及MPLABICD2，則系統(tǒng)可下載配合該芯片使用的硬件操作系統(tǒng)。完成下載后，系統(tǒng)會檢查ICD2的連接情況。
    建立工程項目包括下載安裝Microchip TCP／IP協(xié)議棧、修改編譯選項等。要將TCP／IP協(xié)議棧集成在主應用程序中，較容易實現(xiàn)且節(jié)省存儲空間的方法是調(diào)用堆棧文件。但是當集成很多的應用程序時，使用該專用協(xié)議?？赡軙a(chǎn)生特殊問題。本系統(tǒng)應用只是進行數(shù)據(jù)采集等簡單應用，因此不必考慮此問題，只需要修改主應用程序MainDemo．c。這是Demo Application的核心文件，用來調(diào)用標準的Microehip TCP／IP堆棧文件。
    主應用程序MainDemo．c是服務器端程序執(zhí)行的入口。它首先配置硬件，然后調(diào)用TCP／IP堆棧，運行檢測程序，并等待客戶端的請求。通過編譯主程序生成．0結尾的目標文件，連接生成．hex和．cof文件。最后，結合Microchip公司的編程工具ICD2將映像燒寫到單片機。
    Microchip HTTP服務器使用簡單文件系統(tǒng)(Micro—chip文件系統(tǒng)或MPFS)來存儲網(wǎng)頁。MPFS映像可以存儲在片上程序存儲器或外部串行EEPROM中，它采用特殊的格式在給定的存儲介質(zhì)上存儲多個文件。
    Microchip提供了MPFS．exe程序?qū)⒕W(wǎng)頁轉(zhuǎn)換為MPFS映像。在創(chuàng)建MPFS映像之前，用戶必須先創(chuàng)建所有的網(wǎng)頁和相關文件，并保存在同一個目錄中。如果文件擴展名是“htm”，則Image Builder將去掉所有回車和換行字符來減小MPFS映像的大小。需要注意的是，生成的映像文件大小不要超過32 KB。接著需要把MpfsHan—Img．bin映像使用堆棧所提供的ftp服務上傳到EEP-
ROM。也可以利用超級終端，通過串口將MPFS映像傳送到EEPROM。
    此外，還要通過串口對單片機進行IP地址的設定，這樣就完成了整個系統(tǒng)架構的設計。打開主PC機瀏覽器，輸入遠程單片機的IP地址，可以看到主控制監(jiān)測頁面，通過網(wǎng)頁即可實現(xiàn)對遠程單片機監(jiān)測裝置的控制，以及對溫度、流量等信息的監(jiān)測等。