基于ENC424J600的以太網(wǎng)與串行接口轉(zhuǎn)換技術(shù)

摘要：論述了在STM32系列的MCU上移植TCP／IP協(xié)議棧LwIP，并利用新型以太網(wǎng)控制器ENC24J600實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸功能。該系統(tǒng)主要完成的功能是接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成通用串行接口輸出。ENC424J600是Microchip新推出的一款以太網(wǎng)控制器，其速度優(yōu)于ENC28J60，同時為用戶提供兩種接口模式。本文介紹了其基于SPI接口模式下的實現(xiàn)過程，詳細(xì)描述了該網(wǎng)卡驅(qū)動的硬件電路和軟件流程。
關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)控制器；STM32；LwIP串口輸出

引言
    隨著Internet的發(fā)展和應(yīng)用，越來越多的設(shè)備需要接入網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制或資源共享。以太網(wǎng)接口布線方便，通信帶寬較寬，可達(dá)100 Mb／s甚至1000Mb／s。嵌入式系統(tǒng)由于具有體積小、價格低、專用性能高的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備和工業(yè)測試設(shè)備中。隨著嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的日益緊密結(jié)合，在嵌入式系統(tǒng)中引入TCP／IP協(xié)議棧已成為嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的重要研究方向。
    本義在以太網(wǎng)接口實現(xiàn)基本數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)上將其轉(zhuǎn)換成其他通用串行接口(如SPI、UART、CAN)，更利于應(yīng)用在廣泛的工業(yè)控制領(lǐng)域中。目前市面上的以太網(wǎng)控制芯片大多功耗高、功能復(fù)雜，不適合用在中低端的嵌入式系統(tǒng)中。之前Microchip推出的芯片ENC28J60的網(wǎng)絡(luò)接口速度只能達(dá)到10 Mbps，其SRAM buffer也不大容易造成接收溢出，而ENC424J600速度可達(dá)100 Mbps，功能將更加完善，并提供兩種接口給嵌入式開發(fā)者選擇，是一款很好的網(wǎng)絡(luò)接口芯片。STM32F103RET6是一款A(yù)RM處理器，它的功耗低、價格低廉、功能強(qiáng)大、具備豐富的串行接口，具有512 KB的Flash，在一般的應(yīng)用中可以不用外擴(kuò)Flash，是中低端嵌入式開發(fā)系統(tǒng)的最佳選擇之一。將兩者結(jié)合不但能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，而且可以靈活轉(zhuǎn)換成其他串行接口，用途廣泛。

1 ENC424J600簡介
    ENC424J600是Microchip公司推出的單獨可用的快速以太網(wǎng)控制器。其與MCU的連接方式可采用具有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的串行總線SPI或靈活的并行接口。SPI接口數(shù)據(jù)速率可達(dá)14 Mb／s、并行接口速率可達(dá)140 Mb／s。ENC424J600滿足10 basc-TX全雙工、半雙工模式、100base-TX全雙工、半雙工模式，4種模式均符合IEEE802．3協(xié)議。芯片內(nèi)置PHY物理層及MAC媒體訪問控制層。引擎具有RSA、DiffieHelman、AES、MD5、和SHA-1算法。芯片具有44引腳TQFP和QFN兩種封裝形式。該芯片另一個突出特點是具有24 KB的SRAM Buffer，基本不需要外接SRAM。芯片SRAM Buffer的分配如圖1所示。

     SRAM Buffer被分為兩個區(qū)域，一般將General Purpose Buffer設(shè)為發(fā)送區(qū)，RX FIFO Burfer設(shè)為接收區(qū)，通過指針ERXST區(qū)分兩個區(qū)域，通常將接收區(qū)設(shè)置較大以防止接收幀溢出。
[!--empirenews.page--]
2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
2．1 網(wǎng)絡(luò)控制器外圍硬件電路
    ENC424J600網(wǎng)絡(luò)控制器外圍硬件電路設(shè)計需要注意的幾點有：ENC424J600的SPISEL引腳需要通過100kΩ電阻上拉至電源，這樣系統(tǒng)上電時就能進(jìn)入SPI模式，同時引出INT引腳作為接收中斷使用；每個電源引腳與地之間都應(yīng)連接一個電容，為更好地防止干擾在設(shè)計時加了兩個電容，布線時使0．01μF電容更靠近電源引腳；RBIAS引腳需接一個12．4 kΩ的電阻到地；另外RD+、RD-差分信號處的接法與一般的網(wǎng)絡(luò)控制器不同，它不是直接通過電阻接到電源上，需要特別注意。以太網(wǎng)接口則采用HR961160C，該插座集成以太網(wǎng)隔離變壓器、LED燈于一體，同時是貼片式的，節(jié)約PCB制板空間。在PCB布線時需要注意的是RD+、RD-和TD+、TD-兩對高頻差分線的走線應(yīng)對稱并盡可能短。

    ENC424J600外圍硬件電路及HANRUN以太網(wǎng)變壓器插座外圍電路圖如圖2、圖3所示。[!--empirenews.page--]
2．2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
    網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)串行通信接口的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。STM32F103RET6通過SPI1串行通信接口、一個GPIO引腳作為中斷引腳與網(wǎng)絡(luò)控制器相連，系統(tǒng)再引出SPI2、CAN總線通信接口的引腳。將UART1串行接口作為控制臺供調(diào)試使用。STM32F103RET6具有串口ISP下載功能，將BOOT0接高電平，BOOT1接低電平即可進(jìn)入ISP下載模式。該系統(tǒng)可以通過跳線選擇ISP下載功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    軟件的設(shè)計主要是移植LwIP協(xié)議棧，添加各串行通信接口的初始化程序，編寫網(wǎng)絡(luò)控制器底層驅(qū)動，編寫上層應(yīng)用程序。
3．1 網(wǎng)絡(luò)控制器底層驅(qū)動實現(xiàn)過程
    網(wǎng)絡(luò)控制器底層驅(qū)動初始化程序放在low_level_init函數(shù)中，整個過程為：初始化SPI1接口，對網(wǎng)絡(luò)控制器進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位；設(shè)置發(fā)送、接收緩沖區(qū)指針；初始化PHY層為100 Mbase全雙工模式，使能接收中斷。網(wǎng)絡(luò)控制器底層發(fā)送程序放在low_level_output函數(shù)中，整個過程為：將以太網(wǎng)包拷貝至SRAM buffer，設(shè)置發(fā)送起始地址；發(fā)送幀長，置高TXRTS位使能發(fā)送，直到TXRTS被硬件清零才能進(jìn)行第二次發(fā)送。網(wǎng)絡(luò)控制器接收程序放在low_level_input函數(shù)中，當(dāng)接收中斷發(fā)生時系統(tǒng)通過上層應(yīng)用程序調(diào)用low_level_input函數(shù)。該函數(shù)主要內(nèi)容為：讀取PKTIF位以確定是否有以太網(wǎng)幀等待接收；設(shè)置接收指針地址，讀取該幀的前8個字節(jié)，其中前兩個字節(jié)為下一幀接收地址，第3、4個字節(jié)為這一幀的長度，申請當(dāng)前幀長的緩沖區(qū)，將接收數(shù)據(jù)讀入緩沖區(qū)，置高PKTDEC為下一幀接收做準(zhǔn)備。
3．2 LwIP協(xié)議棧分析
    LwIP協(xié)議?？梢栽跓o操作系統(tǒng)的軟件平臺下移植，LwIP實現(xiàn)的重點是在保持TCP／IP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對RAM的占用，因此它也適合在中低端的嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用。LwIP主要是完成IP層和TCP／UDP數(shù)據(jù)傳輸層的任務(wù)，它與底層網(wǎng)絡(luò)控制器的接口主要體現(xiàn)在etherneti f．c函數(shù)中。在以太網(wǎng)幀的接收過程中以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包通過底層接收程序傳至IP層，IP層判斷是TCP數(shù)據(jù)包還是UDP數(shù)據(jù)包，送至相應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸層處理，數(shù)據(jù)傳輸層再將收到的數(shù)據(jù)傳至用戶應(yīng)用程序。在以太網(wǎng)幀的發(fā)送過程中，用戶程序選擇是通過UDP還是TCP發(fā)送數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)包送至相應(yīng)的傳輸層，再傳至IP層，IP層再將數(shù)據(jù)傳至底層，發(fā)送程序?qū)?shù)據(jù)發(fā)送出去。
3．3 系統(tǒng)軟件流程
    系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

    軟件主要完成初始化、等待接收以太網(wǎng)幀、通過串行接口將數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去的任務(wù)。初始化包括創(chuàng)建netif網(wǎng)絡(luò)接口、SPI1接口、網(wǎng)絡(luò)控制器的PHY層、MAC層，使能接收中斷、初始化TCP服務(wù)器端。初始化完成后，等待上位機(jī)軟件TCP的客戶端與底層軟件的TCP服務(wù)器端建立連接。連接建立后整個系統(tǒng)就循環(huán)等待接收TCP客戶端發(fā)送的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，當(dāng)有以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀到達(dá)時，產(chǎn)生接收中斷，接收到的數(shù)據(jù)幀從PHY層傳到MAC層，再傳到IP層，最終傳到TCP層進(jìn)行數(shù)據(jù)接收處理。應(yīng)用程序收到處理過的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)傳遞的信息通過SPI2或CAN總線串行通信接口將信息發(fā)送出去，以實現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。[!--empirenews.page--]
3．4 TCP／UDP上位機(jī)與系統(tǒng)通信
    TCP／UDP上位機(jī)采用周立功公司的UDP／TCP調(diào)試工具，上位機(jī)作為TCP客戶端與系統(tǒng)服務(wù)器端建立連接，系統(tǒng)循環(huán)等待接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，收到數(shù)據(jù)包后通過TCP協(xié)議傳輸出去。在程序中設(shè)定系統(tǒng)服務(wù)器的IP為192．168．1．99，子網(wǎng)掩碼為255．255．255．0，默認(rèn)網(wǎng)關(guān)為192．168．1．254，TCP端口為3838，上位機(jī)TCP發(fā)送接收數(shù)據(jù)包如圖6所示。

結(jié)語
    文中介紹了利用ENC424J600網(wǎng)絡(luò)控制器和LwIP協(xié)議棧實現(xiàn)以太網(wǎng)通信的過程，該系統(tǒng)不但體積小巧而且速度快、穩(wěn)定可靠，具有良好的應(yīng)用前景。
    此系統(tǒng)目前已應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)SPI通信來控制繼電器板卡的測試設(shè)備中。該繼電器測試設(shè)備稱為MATRIX-RELAY(即矩陣?yán)^電器)，每塊繼電器板卡上有46行×8列個繼電器，共有5塊繼電器板卡，即46×8×5個繼電器，通過打通該設(shè)備上的某一行或多行上的某兩點來對待測產(chǎn)品進(jìn)行相應(yīng)的測試。測試員通過電腦上的上位機(jī)指定需要打開的繼電器序號，向該系統(tǒng)發(fā)一幀網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，這幀數(shù)據(jù)包括需要打開的繼電器屬于哪塊板卡、哪一行、哪一列等信息。通過該系統(tǒng)的處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為SPI串行數(shù)據(jù)，再通過一系列移位寄存器的移位來控制相應(yīng)繼電器的打開從而達(dá)到測試產(chǎn)品某兩端的目的。該測試設(shè)備在實際的運(yùn)行中非常穩(wěn)定可靠。