畢業(yè)設(shè)計(論文)-嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口模塊設(shè)計

嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計-2-嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口模塊設(shè)計

目錄TOC\o"1-3"\h\u19165目錄 329736摘要 4670ABSTRACT 526919第一章設(shè)計要求 611519第二章設(shè)計內(nèi)容描述 613197第三章網(wǎng)絡(luò)接口模塊的硬件設(shè)計 8164643.1主控芯片LPC2132 8134853.2以太網(wǎng)控制器ENC28J60 921463第四章絡(luò)接口模塊的軟件設(shè)計 10238154.1以太網(wǎng)芯片ENC28J60的驅(qū)動程序設(shè)計 11151294.2MCU(LPC2132)主控程序 1427376心得體會 156261參考文獻(xiàn) 16

摘要嵌入式系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)中，所以需要相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口滿足需求，介紹了設(shè)計此系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口模塊所需要的核心以太網(wǎng)控制器ENC28J60，分析了其工作機理，通過設(shè)置ENC28J60內(nèi)部寄存器來完成數(shù)據(jù)的有效接收和發(fā)送，采用高速高性能的LPC2132微控制器與以太網(wǎng)控制器ENC28J60和接口芯片MAX232相連接實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口模塊設(shè)計，對接口電路作了詳細(xì)闡述，并對系統(tǒng)控制軟件進行了具體分析。該模塊用途廣泛，具有良好的應(yīng)用前景?！娟P(guān)鍵詞】ENC28J60，SPI，TCP／IP協(xié)議，使能

ABSTRACTEmbeddedsystemsareappliedwidelyinnetwork，itisnecessarytOprovidecorrespondingnetworkinterfaces．ThepaperintroducescoreEthernetcontrollerENC28J60anditsworkmechanism．TransferringandReceivingdatabyENC28J60internalregistersareanalyzedindetail．ModulardesignofnetworkinterfaceisimplementedthroughconnectingefficientandhighspeedMCULPC2132microcontrollerwithEthernetcontrollerENC28J60andinterfacechipMAX232．Interfacecircuitandsystemcontrolsoftwarearestudiedindetail．EmbeddedsysteminterfacemodulebasedonEthernetiswidelyutilizedandhasgoodapplicationprospect．KEYWORDSENC28J60，SPI，TCP／IPprotoc01．employ

第一章設(shè)計要求采用高速高性能的LPC2132微控制器與以太網(wǎng)控制器ENC28J60和接口芯片MAX232連接實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口模塊軟件和硬件設(shè)計。

第二章設(shè)計內(nèi)容描述隨著Internet商品化進程的加速，特別是在Internet上越來越多的信息資源共享顯示出巨大的誘惑力，在不使用PC機的情況下利用微控制器通過ISP(Internet服務(wù)供應(yīng)商)接入互聯(lián)網(wǎng)，將取代以傳統(tǒng)的PC機為中心的應(yīng)用，成為未來Internet發(fā)展的趨勢。通過以太網(wǎng)可實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的嵌入式器件與互聯(lián)網(wǎng)的連接，所以要將單片機系統(tǒng)接人Internet必須做好兩方面的準(zhǔn)備：①硬件上，要結(jié)合系統(tǒng)主控器(單片機)加一個網(wǎng)絡(luò)接口；②軟件上，要提供相應(yīng)的通信協(xié)議。用TCP／IP協(xié)議中的UDP、ARP及簡單的應(yīng)用層協(xié)議，實現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口模塊，從而使得各種不具備網(wǎng)絡(luò)功能的嵌入式系統(tǒng)設(shè)備具有了互通和聯(lián)網(wǎng)功能，既提高了數(shù)據(jù)傳輸速度和準(zhǔn)確性，又?jǐn)U展了數(shù)據(jù)的有效傳輸半徑。

第三章網(wǎng)絡(luò)接口模塊的硬件設(shè)計模塊主要由3部分組成(圖1)：PHILIPS公司的ARM體系結(jié)構(gòu)的LPC2132芯片作為主控芯片的功能，又可以片，MICROCHIP公司的ENC28J60作為以太網(wǎng)控制芯片，還有MAX公司的MAX32作為串口通訊芯片。Max232與網(wǎng)絡(luò)接口電路3.1主控芯片LPC2132Max232與網(wǎng)絡(luò)接口電路Enc28160Lpc2132RXEnc28160Lpc2132TXLPC2132微控制器是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32位ARM7TDMI—SCPU，帶有64kB的高速Flash存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。對代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30％，而性能的損失卻很小。較小的封裝和很低的功耗使LPC2132特別適用于訪問控制和POS機等小型應(yīng)用中；由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口和16kB的片內(nèi)SRAM，也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器。LPC2132集成了豐富的外圍模塊，提供了方便的調(diào)試手段，可以完全滿足設(shè)計需要，并大大簡化了設(shè)計步驟。它可以通過片內(nèi)boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編／在應(yīng)用編程(ISP／IAP)；同時對代碼進行實時調(diào)試和高速跟蹤；片內(nèi)有1個10位的A／D轉(zhuǎn)換器和1個10位的D／A轉(zhuǎn)換器、2個32位定時器／外部事件計數(shù)器(帶4路捕獲和4路比較通道)、PWM單元(6路輸出)和看門狗、多個串行接口(2個16C550、UART、2個高速12C總線、SPI和SSP)、可配置優(yōu)先級和向量地址的向量中斷控制器、小型的LQFP64封裝上包含多達(dá)47個通用I／0口(可承受5V電壓)；多達(dá)9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷管腳；低功耗模式：空閑和掉電；通過外部中斷或BOD將處理器從掉電模式中喚醒；單電源，具有上電復(fù)位(POR)和掉電檢測(BOD)電路ICPU操作電壓范圍：3．0V～3．6V(3．3V士10％)。3.2以太網(wǎng)控制器ENC28J60ENC28J60是Microchip生產(chǎn)的，全球目前最小封裝的以太網(wǎng)控制器，符合IEEE802．3協(xié)議的ENC28J60有28引腳，既大大簡化相關(guān)設(shè)計，又減小占板空間。此外，ENC28J60以太網(wǎng)控制器采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行接口，只需4條連線即可與主控單片機連接。這此功能加上由Microchip免費提供的、用于單片機的TCP／IP軟件堆棧，使之成為目前市面上最小的嵌入式應(yīng)用以太網(wǎng)解決方案。ENC28J60的主要特點①兼容IEEE802．3協(xié)議的以太網(wǎng)控制器；②集成的MAC和10BASE—T物理層；⑧支持個雙工和半雙工模式；④數(shù)據(jù)沖突時可編程自動重發(fā)；⑤SPI接口速度高達(dá)10Mb／s；⑥8k數(shù)據(jù)接收發(fā)送雙端口RAM；⑦提供快速數(shù)據(jù)移動的內(nèi)部DMA控制器；⑧可配置的接收發(fā)送緩沖區(qū)大??；⑨支持中播、多播和廣播；⑩兩個可編程LED輸出，帶7個中斷源的兩個中斷引腳，TTL電平輸入。ENC28J60兼容IEEE802．3協(xié)議，內(nèi)部集成了物理層，支持個雙工和半雙工模式，芯片內(nèi)的8k雙端口RAM可以自由配置，特殊的過濾器Microchip的可編程模式匹配過濾器，可自動評價、接受或拒收、中播、多播、或廣播信息包，以減主控單片機機的處理負(fù)荷。ENC28J60引腳簡單，SPI接口和中和單片機機相連接，網(wǎng)絡(luò)的四個引腳通過網(wǎng)絡(luò)變壓器后連接到RJ45接口，兩個中斷引腳接接單片機的外部中斷或者連接到通用I／O口，兩個指示燈引腳外接發(fā)光管連接到地或者電源，其余引腳是電源和地。ENC28J60內(nèi)部采用3．3V電源，但是其接口都可以容忍5V的電壓值，振蕩器可以選用無源晶體或者有源晶振。

第四章絡(luò)接口模塊的軟件設(shè)計軟件部分主要包括模塊的TCP／IP協(xié)議軟件、以太網(wǎng)芯片ENC28J60的驅(qū)動程序、參考開放系統(tǒng)互連(OSI)模型，在嵌入式系統(tǒng)中通常采用一種簡化的4層網(wǎng)絡(luò)模型，分別為：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層表1整個程序框架層次結(jié)構(gòu)功能應(yīng)用層通過以太網(wǎng)和TCP／IP傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與Ethernet和數(shù)據(jù)終端的交互通信傳輸層實現(xiàn)UDP協(xié)議。讓網(wǎng)絡(luò)程序通過明確定義的通道及某些特性獲取數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)IP協(xié)議，提供ARP地址解析協(xié)議，實現(xiàn)從地址到數(shù)據(jù)鏈路物理地址的映像鏈路層由單片機控制網(wǎng)卡芯片ENC28J60實現(xiàn)4.1以太網(wǎng)芯片ENC28J60的驅(qū)動程序設(shè)計在編寫網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序之前，必須對ENC28J60的寄存器設(shè)置和工作過程有所了解。ENC28J60內(nèi)部的靜態(tài)RAM有三種類型，控制寄存器，以太網(wǎng)緩沖區(qū)和物理層寄存器，控制寄存器用來進行芯片的配置和控制等功能，直接SPI讀寫；以太網(wǎng)緩沖區(qū)可以由SPI接口配置為接收和發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的RAM區(qū)；物理層寄存器用來配置，控制和監(jiān)測物理層的狀態(tài)，此寄存器不能直接由SPI接口讀寫，只能通過媒體獨立接口MII訪問。ENC28J60控制寄存器中最基本和重要的5個寄存器，EIE：以太網(wǎng)中斷使能控制寄存器，分為總中斷使能和各部分使能控制，EIR：以太網(wǎng)中斷標(biāo)志寄存器，在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包時根據(jù)不同的標(biāo)志位進入不同的執(zhí)行程序。ESTAT以太網(wǎng)狀態(tài)寄存器，反映以太網(wǎng)當(dāng)前是否數(shù)據(jù)碰撞、忙信息、錯誤信息、時鐘狀態(tài)等信息，ECON2：以太網(wǎng)輔助控制寄存器，設(shè)置數(shù)據(jù)指針，芯片節(jié)能等，ECoNl：以太網(wǎng)主控制寄存器，主要用來設(shè)置不同層的寄存器空間。以太網(wǎng)緩沖區(qū)大小共8kB，可以通過SPI接口編程配置成接收和發(fā)送緩沖區(qū)兩大部分，由以太網(wǎng)控制器相關(guān)寄存器進行設(shè)置。物理層寄存器共有32個寄存器，其中只有9個可以使用，每個寄存器為16位寬度，不能直接由SPI總線讀寫，主要配置的寄存器包括物理層的復(fù)位、節(jié)電、雙工設(shè)置，LED的設(shè)置等。ENC28J60與以往的以太網(wǎng)控制器在程序設(shè)計上不同，但采用的也是類似RTL8019A的中斷的方式。當(dāng)主程序響應(yīng)ENC28J60的中斷的時候，在EIR入口，根據(jù)讀取EIR寄存器的值來確定程序的走向。其網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序軟件流程圖。

YN接受緩沖區(qū)為空置已收到的數(shù)據(jù)供上層軟件使用讀該幀數(shù)據(jù)清EIR的PKUTF標(biāo)志Y重新列隊指針傳遞下一幀數(shù)據(jù)N發(fā)送隊列完？YNY置傳遞狀態(tài)到上層軟件該傳遞狀態(tài)寄存器清ＥＩＲ的ＴＸＩＰ標(biāo)志中斷返回幀發(fā)送完收到一新幀讀ENC28160的EIRYN接受緩沖區(qū)為空置已收到的數(shù)據(jù)供上層軟件使用讀該幀數(shù)據(jù)清EIR的PKUTF標(biāo)志Y重新列隊指針傳遞下一幀數(shù)據(jù)N發(fā)送隊列完？YNY置傳遞狀態(tài)到上層軟件該傳遞狀態(tài)寄存器清ＥＩＲ的ＴＸＩＰ標(biāo)志中斷返回幀發(fā)送完收到一新幀讀ENC28160的EIRNYNYYYNNNY有串口數(shù)據(jù)ARP協(xié)議處理ARP數(shù)據(jù)？按UDP拆包UDP端口正確？UDP數(shù)據(jù)？有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)按UDP打包數(shù)據(jù)初始化ENC28160NYNYYYNNNY有串口數(shù)據(jù)ARP協(xié)議處理ARP數(shù)據(jù)？按UDP拆包UDP端口正確？UDP數(shù)據(jù)？有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)按UDP打包數(shù)據(jù)初始化ENC281604.2MCU(LPC2132)主控程序LPC2132主控程序流程圖如圖3所示，LPC2132首先初始化芯片ENC28J60。．初始化部分主要完成：軟件復(fù)位；設(shè)定臨時使用的以太網(wǎng)物理地址；設(shè)定接收幀的類型；確定數(shù)據(jù)的傳送方向；中斷允許；使能接收中斷；接收發(fā)送使能。LPC2132主要完成數(shù)據(jù)的解包打包。LPC2132從網(wǎng)絡(luò)接收到數(shù)據(jù)報，則對數(shù)據(jù)報進行分析，如果是ARP數(shù)據(jù)包，則程序轉(zhuǎn)入ARP處理程序。如果是IP數(shù)據(jù)包且使用UDP協(xié)議，端口正確，則將數(shù)據(jù)解包后通過串口輸出。反之，如果LPC2132從串口收到數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)按照UDP協(xié)議格式打包，送入ENC28J60，由ENC28J60把數(shù)據(jù)輸出到局域網(wǎng)中?？梢钥闯?，鏈路層由ENC28J60完成，TCP／IP的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層由LPC2132來處理，而應(yīng)用層則由用戶根據(jù)需要進行數(shù)據(jù)處理。整個系統(tǒng)模塊是通過UC／OS—II來對系統(tǒng)資源進行有效管理并合理調(diào)度任務(wù)