SPI接口以太網(wǎng)控制器ENC28J60及其應(yīng)用

SPI接口以太網(wǎng)控制器ENC28J60及其應(yīng)用文章發(fā)布人：gxy

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文字背景色：EthernetControllerwithSPI?InterfaceENC28J60andItsApplication

Abstract:Today，mostoftheEthernetcontrollerisdesignedforpersonalcomputer,soitsapplyingismuchcomplicated。Themodeofextendingbusisoftenneeded.

Thispaperintroducestheworld’ssmallestpackageEthernetcontrollerENC28J60atpresent.AdoptingtheSPIserialinterfacemode,sothedesigningprocessispredigested.Inthispaper,itisintroducedofthecharacters,insidestructureandPINfunctionofEthernetcontrollerENC28J60.Furthermore,thepaperanalyzesthesettingofregisterandprocessofworkindetailandillustratestheapplicationcircuitwiththeinterfaceofMCU.

KeyWords:Ethernetcontroller;SPI;ENC28J60

摘要：目前大多數(shù)以太網(wǎng)控制器都是為個(gè)人計(jì)算機(jī)而設(shè)計(jì)的，在精簡的嵌入式系統(tǒng)中使用比較繁雜，常常需要采用擴(kuò)展總線的方式，本文介紹了全球目前最小封裝的以太網(wǎng)控制器ENC28J60，由于采用SPI串行接口方式，簡化了設(shè)計(jì)，本文介紹了其特性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能，詳細(xì)分析了其寄存器設(shè)置和工作過程，給出了與微控制器接口的應(yīng)用電路。

關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)控制器；SPI；ENC28J60

一．

ENC28J60概述

ENC28J60是全球目前最小封裝的以太網(wǎng)控制器，在此之前，嵌入式設(shè)計(jì)人員在為遠(yuǎn)程控制或監(jiān)控提供應(yīng)用接入時(shí)可選的以太網(wǎng)控制器都是專為個(gè)人計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，既復(fù)雜、又占空間，且比較昂貴。目前市場上大部分以太網(wǎng)控制器采用的封裝均超過80引腳，而符合IEEE802.3協(xié)議的ENC28J60只有28引腳，就能既提供相應(yīng)的功能，又可以大大簡化相關(guān)設(shè)計(jì)，并減小占板空間。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(jī)連接。這些功能加上由Microchip免費(fèi)提供的、用于單片機(jī)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(diǎn)如下：

兼容的IEEE802.3協(xié)議的以太網(wǎng)控制器

集成的MAC和10BASE-T物理層

支持全雙工和半雙工模式

數(shù)據(jù)沖突時(shí)可編程自動重發(fā)

SPI接口速度高達(dá)10Mbps

8K數(shù)據(jù)接收發(fā)送雙端口RAM

提供快速數(shù)據(jù)移動的內(nèi)部DMA控制器

可配置的接收發(fā)送緩沖區(qū)大小

支持單播、多播和廣播

兩個(gè)可編程LED輸出

帶7個(gè)中斷源的兩個(gè)中斷引腳

TTL電平輸入

二．

ENC28J60的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其引腳功能

ENC28J60采用28引腳封裝，內(nèi)部接口引腳如圖1，

ENC28J60兼容IEEE802.3協(xié)議，內(nèi)部集成了物理層，支持全雙工和半雙工模式，芯片內(nèi)的8K雙端口RAM可以自由進(jìn)行配置，特殊的過濾器，包括Microchip的可編程模式匹配過濾器，可自動評價(jià)、接受或拒收MagicPacket?、單播（Unicast）、多播（Multicast）或廣播（Broadcast）信息包，以減輕主控單片機(jī)的處理負(fù)荷。

各個(gè)引腳功能如下：

ENC28J60引腳簡單，SPI接口和單片機(jī)相連接，網(wǎng)絡(luò)的四個(gè)引腳通過網(wǎng)絡(luò)變壓器后連接到RJ45接口，兩個(gè)中斷引腳接單片機(jī)的外部中斷或者連接到通用IO口，兩個(gè)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，在使用3.3V電源的單片機(jī)系統(tǒng)中，可以直接將SPI接口和中斷連接到單片機(jī)，如果使用5V的單片機(jī)，ENC28J60的輸入引腳直接連接到單片機(jī)，輸出引腳需要外接一個(gè)與門或者三態(tài)門進(jìn)行5V的驅(qū)動。振蕩器可以選用無源晶體或者有源晶振。

三．

ENC28J60的寄存器設(shè)置和工作過程

ENC28J60內(nèi)部的靜態(tài)RAM分為三種類型，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(jìn)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(dú)立接口MII訪問。

ENC28J60控制寄存器中最基本和重要的5個(gè)寄存器是EIE,EIR,ESTAT,ECON2和ECON1，其功能分別如下，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(shí)根據(jù)不同的標(biāo)志位進(jìn)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(cuò)誤信息、時(shí)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，ECON1：以太網(wǎng)主控制寄存器，這個(gè)是芯片最常用的寄存器，主要用來設(shè)置不同層的寄存器空間，下面將詳細(xì)論述。在這5個(gè)寄存器中，需要設(shè)置的是EIE、ECON2和ECON1，需要判斷標(biāo)志位的是EIR和ESTAT。ENC28J60的控制寄存器分為4層，由ECON1寄存器中的最后兩位BSEL1:BSEL0進(jìn)行設(shè)置，每一層包含32個(gè)控制寄存器，最后5個(gè)寄存器地址映射的位置一樣，即為上述的5個(gè)基本寄存器，0層寄存器包括設(shè)置發(fā)送緩沖區(qū)起始地址ETXST和結(jié)束地址ETXND，接收緩沖區(qū)起始ERXST和結(jié)束地址ERXND，數(shù)據(jù)指針的初始化位置EWRPT和ERDPT，DMA控制等。1層寄存器設(shè)置包括數(shù)據(jù)過濾用的64位的hash表，數(shù)據(jù)過濾用的EPM，網(wǎng)絡(luò)中斷喚醒使能位EWOLI，接收濾波控制ERXFCON，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包計(jì)數(shù)EPKTCNT，2層寄存器設(shè)置包括MAC配置MACCON、數(shù)據(jù)沖突MACLCON、最大幀長MAMXFL、MII寄存器等，3層寄存器設(shè)置包括MAC地址MACADR、自檢EBST、MII狀態(tài)MISTAT、以太網(wǎng)版本信息EREVID、時(shí)鐘輸出控制ECOCON、以太網(wǎng)流控制EFLOCON、暫停時(shí)間值EPAUSL。

以太網(wǎng)緩沖區(qū)大小共8K字節(jié)，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(jìn)行設(shè)置。

物理層寄存器共有32個(gè)寄存器，其中只有9個(gè)可以使用，每個(gè)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，讀取的方法為先將需要讀取的物理層地址寫入MIREGADR，設(shè)置MICMD.MIIRD位，延時(shí)后判斷MISTAT.BUSY是否被自動清除，然后清除MICMD.MIIRD，從MIRDL和MIRDH中讀取數(shù)據(jù)，寫物理層寄存器要求一次寫入16位，先將需要寫的物理層地址寫入MIREGADR，然后寫低8位到MIWRL，高8位到MIWRH，寫入數(shù)據(jù)期間MISTAT.BUSY自動置位，寫入結(jié)束后該位自動清除。

在ENC28J60接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包之前，需要對相應(yīng)寄存器進(jìn)行設(shè)置和初始化，一般情況下這部分工作放在系統(tǒng)復(fù)位完成后執(zhí)行，初始化設(shè)置工作包括接收和發(fā)送緩沖區(qū)、接收過濾、晶振啟動時(shí)間、MAC寄存器、物理層。初始化芯片之前先關(guān)閉單片機(jī)的中斷輸入，對RESET引腳給定一個(gè)持續(xù)的低電平復(fù)位信號，然后對相應(yīng)的寄存器進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置完成所有需要的寄存器后，判斷以太網(wǎng)狀態(tài)中的時(shí)鐘啟動標(biāo)志位是否置位，然后開中斷，以上的流程圖如2所示。

硬件連接的兩個(gè)中斷引腳都對應(yīng)多種中斷條件，EIE和EWOLIE分別使能不同的中斷，均指向中斷入口處，因此需要在入口處進(jìn)行判斷每次的中斷輸入什么條件，EIR是中斷標(biāo)志位，包含了7中不同的中斷條件，根據(jù)不同的標(biāo)志位進(jìn)入不同的執(zhí)行程序。

圖2主程序初始化流程圖

四．

ENC28J60的應(yīng)用

由于采用串行SPI接口，ENC28J60可以很方便地和各種微控制器和處理器接口，構(gòu)成嵌入式以太網(wǎng)模塊，使用UDP，TCP進(jìn)行通信，或者構(gòu)建嵌入式WEB服務(wù)器，對于沒有SPI接口的微控制器，也可以用通用IO模擬SPI總線的方法，下圖是一個(gè)51內(nèi)核單片機(jī)C8051F133和ENC28J60的接口，C8051F133采用3.3V供電，70%的指令的執(zhí)行時(shí)間為一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，內(nèi)部8k字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM，64K程序FLASH，速度可達(dá)100MIPS，與ENC28J60可構(gòu)成最佳以太網(wǎng)應(yīng)用。C8051F133的SPI接口SCK、MISO、MOSI分別連接ENC28J60的SCK、SI、SO引腳，C8051F133的兩個(gè)外部中斷輸入引腳連接ENC28J60的INT和WOL，系統(tǒng)中還有一片X5043用于看門狗，復(fù)位和保存以太網(wǎng)參數(shù)。

五．

結(jié)論

由ENC28J60構(gòu)成的嵌入式以太網(wǎng)模塊電路連接簡單，功能強(qiáng)大，與目前大多數(shù)需要并行數(shù)據(jù)和地址總線的以太網(wǎng)控制器相比，不需要小封裝的微控制器外擴(kuò)地址和數(shù)據(jù)總線，有很大優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)需要配合不同的微控制器可以將電路板做到最小尺寸，完全符合未來工業(yè)以太網(wǎng)控制器的發(fā)展趨勢，本文中的應(yīng)用電路已經(jīng)應(yīng)用于嵌入式控制系統(tǒng)，目前仍在穩(wěn)定運(yùn)行中。

文章的主要?jiǎng)?chuàng)新之處如下：

1.

首次應(yīng)用ENC28J60構(gòu)成嵌入式以太網(wǎng)模塊電路。

2.

克服了市場上已有以太網(wǎng)控制器封裝引腳多的缺點(diǎn)，簡化了設(shè)計(jì)，減小了占板空間。

ENC28J60以太網(wǎng)控制器采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行接口，只需4條連線與主控單片機(jī)相連。

參考文獻(xiàn)：

[1]

ENC28J60Stand-AloneEthernetControllerwithSPI2004MicrochipTechnologyInc.Interface

[2]

陳奎吳愛國游洲用ENC28J6