AVR單片機(jī)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信的研究

于海波，付江波，李金濤

(北京中電科電子裝備有限公司，北京100176)

隨著科技的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)采集與控制設(shè)備逐步走向網(wǎng)絡(luò)化。以單片機(jī)為核心的智能檢測及控制系統(tǒng)因其具有低廉的價(jià)格，而被廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信有多種解決方案，一些以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)方案是通過MCU擴(kuò)展以太網(wǎng)控制器來實(shí)現(xiàn)的，這種設(shè)計(jì)方案應(yīng)用起來較為困難，硬件電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，單片機(jī)系統(tǒng)開銷較大，而且其整體性能不穩(wěn)定。而另外一些采用集成以太網(wǎng)MAC層和物理層16位單片機(jī)MC9612NE64來設(shè)計(jì)通過，如RTL8019AS，CS8900等的以太網(wǎng)控制器，它們的封裝均超過80個(gè)引腳，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，而且價(jià)格較貴，很難滿足智能檢測控機(jī)制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用要求。為了解決以上的不足，本文采用AVR系列單片機(jī)Atmega16與Microchip公司生產(chǎn)的以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60來實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)模塊的設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)智能檢測及控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化提供良好的解決方案。

1 模塊介紹

AVR系列單片機(jī)汲取PIC和8051單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)[1]，采用了CMOS技術(shù)和RISC架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高速低功耗及休眠等功能。AVR系列單片機(jī)集成了8051和PIC單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，具有多個(gè)固定中端向量地址入口，并帶有可設(shè)置的啟動(dòng)復(fù)位延時(shí)計(jì)數(shù)器。AVR系列單片機(jī)外圍資源較為豐富，帶有A/D采集模塊、SPI模塊、PWM模塊等。本文采用的是ATMEGA16，數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)16MISP/MHz。系統(tǒng)內(nèi)部具有16K字節(jié)可編程Flash，512字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM，32個(gè)通用I/O口線，32個(gè)通用工作寄存器。

以太網(wǎng)芯片ENC28J60有28個(gè)引腳，硬件設(shè)計(jì)符合IEEE802.3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)，可以和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)可靠地進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)。它具有可編程填充和CRC自動(dòng)校驗(yàn)功能；具有可編程過濾功能，包括Microchip的可編程模式匹配過濾器；具有自動(dòng)評(píng)價(jià)、接收或拒絕單播、多播或廣播信息包的功能；其內(nèi)部具有8KB可編程雙端口SRAM緩沖器，從而實(shí)現(xiàn)了信息包的存儲(chǔ)，基于上述功能ENC28J60可有效地減少了主控器內(nèi)存的負(fù)荷，ENC28J60的SPI接口通訊速度可達(dá)10 Mbps。

2 硬件電路設(shè)計(jì)[2]

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖1所示，AVR單片機(jī)AT-mega16與ENC28J60通過SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，ATmega16與ENC28J60進(jìn)行SPI通信時(shí)需配制成主機(jī)模式，ENC28J60配置成從機(jī)模式。ENC28J60供電電壓為3.3 V，SPI的信號(hào)輸入引腳CS，SCK、SI以及 RESTE可承受5 V電壓，可以直接與單片機(jī)相連。而SO和INT只能承受3.3 V電平，可以使用74HCT08（與門），74ACT125（三態(tài)緩沖器）或其他帶有TTL電平輸入緩沖器的5 V CMOS芯片來提供必要的電平轉(zhuǎn)換，本文采用一個(gè)74HCT08（與門）實(shí)現(xiàn)信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換。

圖1 硬件設(shè)計(jì)電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括兩部分，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(1)單片機(jī)系統(tǒng)的初始化和ENC28J60驅(qū)動(dòng)程序的編寫。

該部分主要是對(duì)單片機(jī)的外圍控制寄存器進(jìn)行初始化，提供所需的應(yīng)用接口。這部重點(diǎn)在于對(duì)ENC28J60的硬件初始化及對(duì)其進(jìn)行讀寫的操作，表1列出ENC28J60的SPI指令命令代碼及格式。AVR單片機(jī)通過SPI緩沖器向ENC28J60寫入相應(yīng)格式的命令代碼，就可以實(shí)現(xiàn)與ENC28J60的數(shù)據(jù)通信，其中PHY寄存器不能通過SPI接口直接操作，而是需要通過特殊功能寄存器MII完成讀寫操作。

本文采用如下的C語言程序?qū)NC28J60控制寄存器進(jìn)行了初始化，完成了對(duì)控制寄存器的讀寫操作。其它對(duì)ENC28J60操作函數(shù)與此類似，由于篇幅有限，不在此進(jìn)行詳述

圖2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)層次

表1 ENC28J60的SPI指令集

(2)uIP協(xié)議棧在AVR單片機(jī)上的移植。

uIP協(xié)議棧是專門為8/16位嵌入式微處理器設(shè)計(jì)的小型TCP/IP協(xié)議棧，獲得BSD授權(quán)，并遵循RFC標(biāo)準(zhǔn)。它完全由C語言編寫，具有良好的互操作性和完整的原代碼及注釋，可免費(fèi)應(yīng)用。

uIP協(xié)議棧有多個(gè)版本，本文采用的是uIP0.9版本。本文用到的 uip.c、uip.h、uip_arp.c、uip_arp.h、uip_arich.h文件位于/uip目錄下。uip.c和uip.h實(shí)現(xiàn)了 IP、TCP、ICMP 協(xié)議，uip_arp.c和 uip_arp.h 實(shí)現(xiàn)了ARP協(xié)議。其中uip_arch.c是校驗(yàn)和文件，uippopt.h為參數(shù)配置文件，根據(jù)系統(tǒng)的需要，修改相應(yīng)的參數(shù)，從而完成對(duì)uIP協(xié)議棧的移植。

4 結(jié)束語

本文采用AVR單片機(jī)和ENC28J60網(wǎng)絡(luò)接口芯片的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)系統(tǒng)與以太網(wǎng)的通信。隨著智能數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量要求的不斷提高，基于單片機(jī)系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口方案的設(shè)計(jì)將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。

[1]張永濤 黃丹丹 李歐.uIP協(xié)議分析及應(yīng)用[J].信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，7(2):148-149.