基于SPI实时以太网(RTE)通讯卡设计.doc

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1、综 合 设 计 报 告 单 位： 自动化学院 学生姓名： 专 业： 测控技术与仪器 班 级： 0820801 学 号： 指导老师： 成 绩： 设计时间： 2011 年 10 月 重庆邮电大学自动化学院制一、题目实时以太网（RTE）通讯卡设计。二、技术要求设计实时以太网（RTE）通讯卡，要求如下：1、学习以太网控制基本原理；2、了解相关网络控制器的基本结构和控制原理；3、利用51单片机和合适的网络控制芯片设计以太网通讯板卡；4、使用C语言编写以太网协议栈程序；5、通过实时以太网通信协议栈，能够完成和上位机的通信：6、选择合适控制平台，绘制系统的组建结构图，给出完整的设计流程图，讨论减少数据在网络

2、传输中出现乱码及丢包的方法。三、给定条件1、计算机网络，单片机原理及接口技术等参考资料；2、电阻、电容等各种分离元件、IC、网线、10Mbps网络平台；3、STC89C52单片机、ENC28J60网络控制器和HR911105A接口以及PC机；四、设计1. 确定总体方案；2. 画出实时以太网现场总线的结构图；3. 选择以太网控制芯片和单片机，设计硬件电路；4. 设计实时以太网通信协议栈，完成和上位机的通信；5. 画出程序流程图并编写调试代码，完成报告；摘要：人们知道，用于工业自动化系统的网络通信技术来源于IT信息技术的计算机网络技术， 但是又不同于一般的计算机网络通信，这是因为IT网络通信是以传

3、递信息为最终目的， 而工业控制网络传递信息是以引起物质或能量的运动为最终目标。所以，用于测量和控制的数据通信的主要特点是：允许对事件进行实时响应的事件驱动通信；很高的可用性；很高的数据完整性；在有电磁干扰和地电位差的情况下能正常工作；以及使用工厂内专用的传输线等。其中，最主要的要求是网络通信的高实时性。实时（real time）的含义是指数据处理就像发生在数据产生的时刻，其响应没有大的延时。因此实时性的以太网的发展对于工业以及其他行业就显得格外的重要了。关键词：实时以太网 ENC28J60 80c51单片机一、引言在IT作为契机的当代社会，无论在工业、农业、学习中网络的地位显得举足轻重。在各个

4、行业的对于网络的要求不同因此对于以太网的需求也不一样，在工业就需要以太网具有很好的实时性，但是这一些技术也是要求很高的。为此，世界各大公司开始研究基于以太网的通信确定性和实时性问题，并取得了一些重要成果，其中有些成果已通过了工业现场的实际应用验证。2003年5月，IEC/SC65C成立了WG11工作组，旨在适应实时以太网市场应用需求，制定实时以太网应用行规国际标准。根据IEC/SC65C/WG11定义，所谓实时以太网RTE（Real-time Ethernet），是指不改变ISO/IEC8802-3的通信特征、相关网络组件或IEC1588的总体行为，但可以在一定程度上进行修改，使之满足实时行为

5、：1、实时性，即确定性通信；2、现场设备之间的时间同步行为；3、充分、频繁的长度较短的数据交换。为此，实时以太网标准首先需要解决实时通信问题，同时，还需要定义应用层的服务与协议规范，以解决开放系统之间的信息互通问题。二、实验器件及原理 本次实验就是利用ENC28J60芯片和80c51单片机的搭建一个基于TCP/IP的简易以太网系统，了解TCP/IP的原理，实现简单ping功能实现；学习用TCP/IP精简程序的编程，同时加深对计算机网络的理解。三、硬件平台1、系统原理概述 本以太网通讯系统是基于51内核单片机和ENC28J60网络控制芯片的设计，接口电路采用UTP（无屏蔽双绞线）RJ-45封装。

6、51单片机作为整个通讯系统的控制处理器，通过SPI串行数据接口实现和ENC28J60网络芯片的通讯，并控制ENC28J60芯片相关寄存器，将单片机传送过来的数据转换成为基于IEEE802.3网络协议的数据包格式，再通过HR911105A接口最终实现和网络终端的数据通信。采用51内核的STC89C52单片机廉价且控制简单，而ENC28J60作为当下最新一款网络控制芯片，不仅可以作为任何配有SPI的控制器的接口，且具有最少引脚封装的特点更加方便硬件设计和系统集成。最后通过软硬件设计，本系统完全能实现数据在网络上无丢失传输，具有高可靠性和实用性。2、系统方案设计2.1 网络控制器的设计 方案一：采用

7、基于RTL8019AS实现以太网通讯 RTL8019AS是由台湾Realtek公司生产的100pin PQFP 封装10Mbps以太网控制器，符和Ethernet II与IEEE802.3标准，其应用成熟广泛，但是由于RTL8019AS没有集成内部硬件协议，此方案需要在主控制器内部编写以太网通讯协议、程序繁琐、耗费时间，不利于系统的快速开发和稳定运行。且由于其封装引脚太多，也不方便系统的硬件设计。 方案二：采用基于W5100的网络控制器的以太网通讯系统设计。 W5100是Wiznet公司开发的具有内部硬件协议栈的芯片，此方案能够大大地减少硬件接口设计和网络编程的工作量，编程时只需对其相应的端口

8、进行配置即可，并且可以实现可靠稳定运行的远程数据通信，应用也很广泛，但是由于其只有80pinLQFP封装，也不便于我们这次系统设计的硬件制版。方案三：采用基于ENC28J60的网络控制器的设计 ENC28J60是带有行业标准串行外设SPI接口的独立以太网控制器，具有28pinDIP封装，符合IEEE802.3的全部规范，采用了一系列包过滤机制以对传入数据包进行限制。他还提供了一个内部DMA模块，以实现快速数据吞吐和硬件支持的IP较验和计算。与主控制器的通信通过两个中断引脚和SPI实现，传输数据速率高达10Mb/s。两个专用的引脚用于连接LED，进行网络活动状态指示。虽然ENC28J60同样也没

9、有像W5100那样集成了了内部硬件协议栈，但是由于其具有28pinDIP封装，大大便于硬件设计和制版，符合我们这次系统设计的基本要求。2.2 主控器芯片的选择鉴于本系统对处理器要求不是太高，具有51内核的单片机就足以达到设计要求的标准，所以在主控制器芯片的选择上我们主要考虑控制器的程序容纳能力。由于主控制器和网络控制器之间的通信是通过SPI接口实现的，若采用集成有SPI硬件接口的51单片机就更好了。所以我们在STC89C52和STC12C5A60S2两款单片机中选择，前者FLASH基本满足要求，C52虽没有SPI接口，但是可通过软件模拟解决。后者带有SPI 接口且具有64K的FLASH完全满足

10、要求，但是60S2成本太高，故我们选择了STC89C52作为主控器。2.3 网络接口的设计方案一：采用网络变压器YL18-2050S+RJ45接口设计 由于需要增加变压器，也增加了硬件设计的复杂性，其结构如图1：ENC28J60网络控制器YL18-2050S变压器网络终端RJ45网络接口图1 络变压器YL18-2050S+RJ45接口设计框图方案二：直接运用集成有网络变压器的RJ45接口设计 HR911105A是一种高性能高稳定性的网络专用RJ45接口，由于其成本低，便于集成，所以被广泛采用。其连接如图2：ENC28J60网络控制器HR911105A接口网络终端图2 用集成有网络变压器的RJ4

11、5接口设计框图2.4 方案确定综上分析，本次设计主控器采用STC89C52单片机，网络控制器采用方案三，网络接口采用方案2，即基于TC89C52、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。3、系统硬件设计3.1系统框图STC89C52主控制器HR911105A以太网接口时钟电路网络终端复位电路ENC28J6010Mb/s以太网控制器系统电源 图3 系统框图3.2以太网现场总线模型应用层数据链路层物理层图4 以太网现场总线模型3.3 系统硬件电路 系统硬件电路见下图图5 系统硬件电路3.3.1 ENC28J60网络控制器外围电路及与HR91110

12、5A连接电路 ENC28J60网络控制器主要由七个功能模块组成：（1） SPI接口充当主控制器和ENC28J60之间的通信通道。（2） 控制寄存器用于控制和监视ENC28J6。（3） 双端口RAM缓冲器用于接收和发送数据包。（4） 判优器当DMA、发送和接收模块发出请求时对RAM缓冲器的访问进行控制。（5） 总线接口对SPI接收的数据和命令进行解析。（6） MAC模块实现符合IEEE802.3标准的MAC逻辑。（7） PHY模块对双绞线上的模拟数据进行编码和译码。 如下图6为ENC28J60网络控制器外围电路，图7为ENC28J60与HR911105A连接电路，图8为RJ45封装内部电路。 图

13、6 ENC28J60网络控制器外围电路图7 ENC28J60与HR911105A连接电路图8 RJ45封装内部电路要实现以太网接口，ENC28J60需要外部件连接几个标准元件。晶振接25M。如图7和图8所示，在差分接收引脚上（TPIN+/TPIN-）,需要外接一个变压器。在差分发送引脚（TPOUT+/TPOUT-）上,需要外接一个带有中心抽头的的1:1脉冲变压器。变压器应具有2KV以上的电压隔离性能，以防止静电干扰。在本系统中次变压器都集成到了HR911105A中，不需在另接变压器。同时，两个变压器需要额外的两个50n（精度为1%）的电阻和一个0.01uf的电容与特定端相连。ENC28J60的

14、内部模拟电路需要在RBIAS引脚与地之间外接一个2Kn（精度为1%）的电阻，此外还需在Vcap引脚与地之间连接一个10uf的电解电容。芯片所有参考地都应该在外部连接到相同的接地点。每个Vdd和Vss引脚对都应连接一个0.1uf的旁路电容，该电容应尽可能靠近引脚。四、软件部分1.以太网（Ethernet）协议 一个标准的以太网物理传输帧由七部分组成（如表1所示，单位：字节）。表1 以太网的物理传输帧结构表PRSDDASATYPEDATAFCS同步位分隔位目的地址源地址类型字段数据段帧校验序列716624615004 除了数据段的长度不定外，其他部分的长度固定不变。数据段为461500字节。以太网

15、规定整个传输包的最大长度不能超过1514字节（14字节为DA、SA、TYPE），最小不能小于60字节。除去DA、SA、TYPE14字节，还必须传输46字节的数据，当数据段的数据不足46字节时需填充，填充字符的个数不包括在长度字段里；超过1500字节时，需拆成多个帧传送。事实上，发送数据时，PR、SD、FCS及填充字段这几个数据段由以太网控制器自动产生；而接收数据时，PR、SD被跳过，控制器一旦检测到有效的前序字段（即PR、SD），就认为接收数据开始。开始3. 程序流程图初始化变量 获取变量Ping目标Ping是否成功功 是 否释放资源 结束五、设计心得课程设计是培养我们综合运用所学知识发现、提

16、出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对我们实际工作能力的具体训练和考察过程。本次的课程设计是基于运用所学单片机技术、计算机网络等方面的知识，设计实时以太网通信卡，很好的结合了当今工业以太网方面的实际应用，相对于前几学期的课程设计，这次的题目综合性更高、设计难度更大、实用性更强，是对我们所学专业知识如单片机原理及接口技术、传感器与检测、C语言程序设计、计算机网络等课程知识的综合检验与应用，他需要我们独立的设计一个完整的数据采集及以太网通讯系统，很好的锻炼了我们从单一模块到系统设计与调试能力的转变与提高，同时也让增强了我们对网络传输原理与应用有了更深的认识和体会。回顾起此次课程设计，

17、至今我仍感慨颇多，从选题到定稿，从理论到实践，我们小组都付出了很多努力，也收获了很多，在此次设计中不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计也使我懂得了理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能做出实际的有用的东西，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。通过这次课程设计还锻炼了我们的团队合作精神，只有大家在分工明确的基础上齐心协力，才能使团队获得成就。在这次设计的过程中我们也遇到了很多困难，比如这次做以太网方面的东西我们之前很少接触，这个题目对我们来说完全是一个陌生的东西

18、，特别是再网络编程上我们都是一窍不通。在别人看来我们不大可能做出来的时候，我们在老师的指导下，小组积极讨论，分工合作，通过查阅资料学习相关的知识，逐步突破了每一个技术难关，虽然最后在网络编程上面我们移植了现有的协议栈程序，但是我们最后还是比较好的独立的完成了这次设计。通过这次课程设计，我更发现了自己的很多不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，而且缺少自主分析问题的能力，碰到问题后有一种和逃避依赖心理。也让我明白做电子类设计每一步都要细心严谨，不能马虎。六、 参考文献1. 史蒂文斯(美) TCP/IP详解 卷1：协议 机械工业出版社，2007。2. 多伊尔（美） TCP/I

19、P路由器技术 人民邮电出版社，2007。3. 罗军舟（中） TCP/IP协议及网络编程技术 清华大学出版社 20044. 肖新峰（中） TCP/IP协议与网络管理标准教程清华大学出版社 2007七、 附录（main函数）#include Board.h #include Global.h#include NETDefine.h /网口#include NETInterface.h#include NETProtocol.h#include NETApplication.h#include UARTInterface.h/串口static UINT8 CODE acLocalMac6 = 0x5

20、4,0x55,0x58,0x10,0x00,0x24;/变量static UINT8 CODE acLocalIP4 = 192,168,0,129; /分配IP地址#ifdef _C51_ /可在实现ping的同时实现多个任务static void (* CODE avTaskTblMAX_TASKS)(void)=#endif SYSIdle, / 系统空闲 任务 NULL, / 空 任务;int main(void)/主函数 NET_PORT=SI_ENJ|SO_ENJ|SCK_ENJ; P3=0xFF; UARTCiInit(9600); /设置串口波特率 NETCiInit(acLo

21、calMac); /设置ENC28j60的MAC地址 NETCiClkOut(2); /设置ENC28j60的时钟翻倍 DelayNms(10); NETCiPhyWrite(PHLCON,0xD76); DelayNms(20); NETPcInit(acLocalMac,acLocalIP,TCP_PORT); /网络初始化本机IP地址和MAC地址 SYSPostCurMsg(RUN_NET_DISPOSE_DATA); /设置任务 DEBUGMSG(PSTR(Net Showrn); while(1) avTaskTblSYSRecvCurMsg()(); /总线捕获信息 return 0;文档来源网络，版权归原作者。如有侵权，请告知，我看到会立刻处理。 .12