基于ENC28J60芯片和TCP／IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)微型嵌入式Web服務(wù)器的設(shè)計(jì)

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信和Internet技術(shù)的飛速發(fā)展和不斷進(jìn)步，嵌入式系統(tǒng)在家庭和工業(yè)應(yīng)用廣泛。如何將嵌入式系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)接人Internet，綜合利用嵌入式系統(tǒng)資源，實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理和控制，已成為關(guān)注的研究課題，而實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化則成為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

以太網(wǎng)以其成本低、速度快、應(yīng)用普遍、有廣泛的硬件和軟件支持等優(yōu)點(diǎn)為實(shí)現(xiàn)管理控制網(wǎng)絡(luò)一體化提供可能，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備內(nèi)置WEB服務(wù)器，使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有網(wǎng)頁(yè)發(fā)布功能，將Internet技術(shù)直接引入現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

本設(shè)計(jì)是基于ARM7的微型嵌入式Web服務(wù)器。目前市場(chǎng)上大部分以太網(wǎng)控制器的封裝均超過(guò)80引腳，而ENC28J60是業(yè)界最小的以太網(wǎng)控制器，只有28引腳，這樣既能提供相應(yīng)功能，又大大簡(jiǎn)化相關(guān)設(shè)計(jì)，減小空間，其標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行接口只需4條總線即可實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)連接，有利于在小型系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)功能。在研究和分析TCP／IP協(xié)議的基礎(chǔ)上，合理簡(jiǎn)化TCP／IP協(xié)議，選擇實(shí)現(xiàn)ARP、IP、ICMP、TCP和HTTP協(xié)議。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

ENC28J60的硬件連接如圖1所示。ENC28J60的硬件設(shè)計(jì)包括復(fù)位電路、時(shí)鐘振蕩器、網(wǎng)絡(luò)變壓器和其他外部元件以及LED配置單元模塊。

2.1復(fù)位電路

當(dāng)ENC28J60的RESET引腳為低電平時(shí)ENC28J60工作在復(fù)位模式。RESET引腳內(nèi)部有弱上拉電阻，應(yīng)外接一只10 kΩ的上拉電阻。

2.2 時(shí)鐘振蕩器

ENC28J60工作頻率為25 MHz。在OSC1和OSC2引腳之間連接無(wú)源晶體振蕩器。ENC28J60要求使用平行切割的晶體。本設(shè)計(jì)采用連接至OSC1引腳的外部25 MHz有源晶體振蕩器驅(qū)動(dòng)，此時(shí)3.3V的外部時(shí)鐘連接OSC1引腳，OSC2引腳可使用一只接地電阻或斷開(kāi)OSC2引腳以減少系統(tǒng)噪聲。

2.3 網(wǎng)絡(luò)變壓器和其他外部元件

實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接口控制，還需多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)外部元件：網(wǎng)絡(luò)變壓器、偏置電阻、儲(chǔ)能電容和去耦電容。

差分輸入引腳（TPIN+／TPIN-）需用一個(gè)變比為1：1的網(wǎng)絡(luò)變壓器實(shí)現(xiàn)10BASET。差分輸出引腳（TPOUT+／TPOUT-）需用一個(gè)變比為1：1、帶中心抽頭的脈沖變壓器實(shí)現(xiàn)。變壓器需具有2 kV或更高的隔離能力，以防止靜電干擾。本設(shè)計(jì)采用Pulse公司的集成以太網(wǎng)隔離變壓器H1102。

差分輸入／輸出引腳都需串聯(lián)2只49.7 Ω、精度為1％的電阻和1只0.01μF的電容，本設(shè)計(jì)采用并聯(lián)兩只100 Ω電阻獲得49.7 Ω、精度為1％的電阻。

所有的電源電壓引腳必須連接至外部同一個(gè)33 V電源。同理，所有的接地必須連接至同一外部地。每個(gè)電源電壓引腳和地之間應(yīng)連接1只0.1μF的陶瓷去耦電容，該電容應(yīng)盡可能地靠近電源電壓引腳放置。

2.4 LED配置

LEDA引腳和LEDB引腳在復(fù)位時(shí)支持極性自動(dòng)檢測(cè)，既可直接驅(qū)動(dòng)LED，又可灌電流驅(qū)動(dòng)。復(fù)位時(shí)ENC28J60檢測(cè)LED的連接，并按照PHLCON寄存器的默認(rèn)設(shè)置驅(qū)動(dòng)。本設(shè)計(jì)LEDB采用拉電流的方式點(diǎn)亮LED。復(fù)位時(shí)該位清零且PHY默認(rèn)在半雙工模式下工作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 SPI接口

ENC28J60與微控制器MCU的連接通過(guò)SPI接口實(shí)現(xiàn)，支持10 Mb／s。但ENC28J60只支持SPI模式00，即CPOL=0和CPHA=0。另外，在空閑狀態(tài)時(shí)SPI端口要求SCK為低電平，且不支持時(shí)鐘極性選擇。以下為SPI接口初始化的源代碼：

3.2 TCP／IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)

考慮到單片機(jī)RAM存儲(chǔ)空間的限制和具體應(yīng)用要求，合理簡(jiǎn)化TCP／IP協(xié)議棧，選擇實(shí)現(xiàn)ARP、IP、ICMP、TCP和HTTP協(xié)議。圖2所示為精簡(jiǎn)的TCP／IP協(xié)議棧。

3.2.1 物理層接口的實(shí)現(xiàn)

物理層接口為ENC28J60的驅(qū)動(dòng)程序，硬件方面是用ENC28J60的電路實(shí)現(xiàn)電纜的物理鏈接、介質(zhì)訪問(wèn)控制、幀的發(fā)送與接收等功能，而與上層協(xié)議接口即為驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)發(fā)送與接收數(shù)據(jù)幀。以下是其兩個(gè)函數(shù)原型：

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議包括ARP、IP、ICMP協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)間連接需知雙方物理地址，而ARP協(xié)議是地址解析協(xié)議，實(shí)現(xiàn)IP地址到物理地址的轉(zhuǎn)化。網(wǎng)際協(xié)議（IP）負(fù)責(zé)將消息從一個(gè)主機(jī)傳送到另一個(gè)主機(jī)。ICMP協(xié)議是Internet控制消息協(xié)議，用于IP主機(jī)、路由器之間傳遞控制消息?？刂葡⑹侵妇W(wǎng)絡(luò)是否暢通、主機(jī)是否可達(dá)、路由是否可用等網(wǎng)絡(luò)本身消息。圖3所示是ping命令測(cè)試遠(yuǎn)程用戶和設(shè)計(jì)的微型嵌人式Web服務(wù)器后的響應(yīng)情況。

3.2.3 TCP、HTTP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

傳輸控制協(xié)議（TCP）負(fù)責(zé)收集信息包，并且將其按適當(dāng)?shù)拇涡騻鬏?，接收端接收后再將其正確還原。傳輸協(xié)議同時(shí)保證了數(shù)據(jù)包在傳送中準(zhǔn)確無(wú)誤。而HTTP是基于TCP協(xié)議的超文本傳輸協(xié)議，嵌人式Web服務(wù)器在與遠(yuǎn)程用戶端建立TCP連接后發(fā)送網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)，在HTTP協(xié)議發(fā)送流程中，由于TCP報(bào)文數(shù)據(jù)字段有長(zhǎng)度限制，網(wǎng)頁(yè)資源一股被分成若干段進(jìn)行分段傳送。在遠(yuǎn)程用戶端打開(kāi)IE瀏覽器，在地址欄輸入嵌人式Web服務(wù)器的地址。

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