刘宗铭，卓振泰，何明华*

(1.福州大学物理与信息工程学院，福州350002;2.福州大学电气工程与自动化学院，福州350002)

随着计算机网络技术的快速发展，单个单片机系统越来越难以满足实际应用的需求，传统的单片机多机互联一般是基于RS232串行通信，该方式的通信速率较低，一般为9 600 bit/s;而且通信距离短，一般不能超过15 m［1］。如今在智能家居、控制等领域，以单片机为核心的各种智能监控、测试系统因其高性价比等原因正得到越来越广泛的应用，尤其是智能家居系统远程监控的提出，将家居监控控制系统与互联网的结合推向了新的高层。而智能家居的联网就需要有一个高效、稳定，主要是廉价的以太网接口设备［2-3］。

以太网是目前应用非常广泛的网络通信技术，借助以太网技术实现单片机与Internet的数据通信，此技术适应不同应用场合的需求，比如可以很好地解决传统的智能家居系统以太网接口的成本问题［4］。本文将通过单片机和ENC28J60芯片实现单片机系统和Internet的数据通信，这对与嵌入智能家居系统的发展有着重要的作用。

1 系统总体框架

1.1 模块介绍

目前市面上最小的嵌入式应用以太网解决方案就是ENC28J60以太网控制器，它符合IEEE 802.3协议标准。该芯片采用10 Mbit/s的SPI(Serial Peripheral Interface)接口，内部具有8 kbyte双端口SRAM缓冲器，可实现对编程信息包高效存储，检索以及修改，有利于提高系统的传输性能［5-7］。

ENC28J60是Microchip Technology(美国微芯科技公司)推出的符合IEEE 802.3协议规范的一款芯片。ENC28J60是28引脚独立以太网控制器，带有行业标准的SPI接口，并集成了媒体访问控制器和10BASE-T以太网物理层器件，支持全双工和半双工模式，可编程填充和CRC生成，可编程8 kbyte双端口SRAM缓冲器，可配置发送/接收缓冲器的大小，具有硬件管理的循环接受FIFO。在它内部还提供了一个DMA模块，可以实现数据的快速吞吐，数据传输速率高达10 Mbit/s［8-10］。ENC28J60和主控制器的通信通过SPI接口实现，这使得嵌入式应用系统的以太网接口变得灵活简单。

1.2 系统设计架构图

ENC28J60采用标准的SPI串行接口，4条线与主控单片机连接。当SCK为上升沿时命令和数据可通过SI引脚送入器件。在SCK的下降沿从SO引脚输出数据。当执行操作时/CS引脚始终保持低电平，操作完成时恢复高电平［11］。由于主控制器运行在5 V电压下，当SPI和中断输入由ENC28J60上的3.3 V输出驱动时，它可能不符合规范要求，因此需要一个单向电平转换器。这里使用一个廉价的带有TTL电平输入缓冲器的5VCMOS芯片74HCT08(4与门)来提供必要的电平转换。如图1，是系统整体框图。

图1 系统整体框图

2 系统设计的实现

2.1 系统电源设计

要实现整个系统的工作，主要的问题就是需要设计电源电路和复位电路。在系统中由于单片机工作在5 V电压，而ENC28J60是工作在3.3 V电压下的，为了此系统可以正常工作，必须给系统统一供电。因此必须设计一个5 V转3.3 V的电源电路，在系统中电源电路采用专用电源芯片AMS1117-3.3，实现电压的转换。为系统提供所需的5 V和3.3 V工作电压，图2所示为系统电源电路。

图2 系统电源电路

2.2 系统硬件电路设计

ENC28J60可以通过SPI方便地和微控制器连接而构成嵌入式以太网通信接口，对于没有SPI接口的微控制器也可以通过I/O口模拟SPI的方法实现。本设计是基于 STC89C52、ENC28J60和HR911105A的以太网通讯卡设计。并应用C51编程实现数据的网络通信。ENC28J60工作电压为3.3 V的器件，它被设计为易于集成到5 V的系统中。SPI的CS、SCK和SI输入以及RESET引脚都可以承受5 V的电压。因为主控制器运行在5 V电压下，因此当ENC28J60上的3.3V CMOS输出驱动单片机SPI模拟端口和中断输入口时需要一个单向电平转换器。系统中采用74HC08芯片来实现3.3V到5 V的电平转换［12］。

差分接收引脚(TPIN+/TPIN-)以及差分发送引脚(TPOUT+/TPOUT-)与集成变压器带中心抽头的RJ45插座HR911105A连接，ENC28J60的内部模拟电路需要在RBIAS引脚与地之间外接一个2 kΩ(精度为1%)电阻。为降低功耗，ENC28J60中的一些数字电路工作在2.5 V标称电压下，该电压有其内部一个2.5 V稳压器以产生，为使之工作稳定，需在VCAP引脚与地之间连接一个10 μF的电容。ENC28J60与主控单片机STC89C52以及相应外部器件的连接，如图3所示。

STC89C52单片机通过SPI和以太网控制器ENC28J60相连，这样完成了单片机与以太网之间数据的发送和接收。单片利用I/O口模拟SPI接口与ENC28J60通信，并完成了对ENC28J60的控制和发送/接收缓冲区的读写。以太网接口选用带有网络隔离变压器功能的HR911105A来实现。LEDA和LEDB引脚支持复位时的自动极性检测。可以在这两个引脚上，以拉电流或灌电流点亮LED的两种方式连接LED。系统复位时，ENC28J60将检测LED的连接方式，并将LED驱动为PHLCON寄存器配置的默认状态。如果在ENC28J60运行时改变LED的极性，新极性将在下一次系统复位时才能被检测到。复位时会自动读取LEDB上LED的连接状态，并确定如何初始化PHCON1.PDPXMD位。如果引脚采用拉电流的方式点亮LED，则复位时此位清零且PHY默认为在半双工模式下运行。如果引脚采用灌电流的方式点亮LED，则复位时此位置1且PHY默认为在全双工模式下运行。如果LEDB引脚上没有连接LED，则PDPXMD位将复位为不确定值。在此设计中使用的是拉电流方式点亮LED的。

图3 硬件电路图

2.3 软件设计

以太网设备驱动是嵌人式网关的基础，ENC28J60驱动就是通过对其片内存储器的访问和控制，实现MAC帧的发送和接收ENC28J60的片内存储器分为控制寄存器、PHY寄存器、以太网缓冲器。ENC28J60使用包括初始化、发送和接收。

2.3.1 ENC28J60初始化

ENC28J60初始化流程如图4所示，过程主要包括:进行根据应用特点配置收发缓冲区，根据应用配置相应的接收过滤组合，对MAC进行初始化设置，对PHY进行初始化设置。在使用ENC28J60接收数据包前必须对8 kbyte双端口SRAM缓冲器进行初始化，因此要对接收缓冲器起始地址ERXST指针和结束地址ERXND指针编程。所有未被用作接收缓冲器的存储空间都作为发送缓冲器，同时通过设置接收过滤控制寄存器ERXFCON，使能或禁止相应的接收过滤器。系统上电复位后须查询以太网状态寄存器ESTAT的CLKRDY位，确保设置MAC和PHY寄存器前有足够延时。若CLKRDY为1，表示PHY准备就绪，可对MAC和PHY寄存器进行相应设置。

图4 初始化ENC28J60流程图

2.3.2 ENC28J60接收

接收过程主要包括接收设置与启动，内部接收与过滤，数据包读取与处理。接收启动后，内部自动进行接收和过滤，未滤除的数据包写人循环接收缓冲器(其存储结构包括一个报头、实际包数据、可能的填充字节)并产生中断;通过中断服务分析报头，读取实际包数据。ENC28J60的数据接收程序流程图如图5所示。

图5 接收数据包流程图

2.3.3 ENC28J60发送

发送过程主要包括:发送准备，发送，发送异常处理。ENC28J60自动生成前导符和帧起始定界符、最小包的填充和有效CRC追加。在发送准备过程中需要进行最小包填充设置，CRC追加设置，包控制字节输人，以及MAC帧有效字段输人。发送过程是内部过程。当发送异常中止时，需要根据MAC模块自动产生的7 byte发送状态向量进行相应处理。如图6所示，即为 ENC28J60的数据发送程序流程图。

图6 发送数据包流程图

3 实验结果与分析

ENC28J60是目前体积最小的以太网控制芯片，它能提供以太网通信的相应功能，而且体积小，可以根据需要设计出体积较小的网关模块。文中采用51单片机及符合国际电工电子委员会制定的IEEE802.3协议的网络芯片ENC28J60为硬件平台，实现了单片机上的以太网通信。PC设计好的网口与路由器连接后，通过PC机可以与单片机ping通。如图7为PC机ping通单片机IP的现象，实验结果数据如表1所示。

图7 PC机ping通单片机IP

表1 实验数据

从表1中可以看出PC机向单片机发送4个测试数据包，测试结果丢包率为0，说明网络状态相当的良好。实际应用结果表明，设计的以太网通信接口通信可靠性高、配置灵活，适合于嵌入式智能家居控制领域使用。用上述方法构建的通信网关可实现以太网与SPI总线之间的协议转换，为以太网与SPI总线网络的互联提供了一种传输速度快，成本低，稳定性和安全性高的解决方案。

4 结论

本设计的创新之处就在于应用ENC28J60构成嵌入式以太网模块电路，克服了市场上已有以太网控制器封装引脚多的缺点，简化了设计，减小了占板空间。由此可以看出ENC28J60是极具特色的独立以太网控制器。由ENC28J60构成的嵌入式以太网模块电路连接简单，而且功能强大。它与目前大多数的以太网控制器相比具有明显的优势:无需外扩地址，无需外扩数据总线。并且可以根据需要配合不同的微控制器将模块做到足够小的尺寸。这完全符合未来工业以太网控制器的发展趋势。基于ENC28J60的以太网接口设计，电路设计简单，功能强大，可以灵活的应用于通信行业、远程诊断、远程安保报警系统及智能家居远程监控控制等场合，完全符合未来以太网控制器的发展趋势，具有十分广阔的运用前景。

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