CN106789100A - 一种嵌入式网络终端 - Google Patents

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    • H04L12/02—Details

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Abstract

本发明涉及网络终端技术领域，公开一种嵌入式网络终端，所述网络终端的硬件包括主控制器模块、网络控制器模块、电源模块、看门狗模块；所述网络终端的软件包括看门狗程序、网卡控制器驱动程序和TCP/IP 协议三部分构成；所述主控制器模块采用TI 公司的MSP430F5438 芯片；所述网络控制器模块采用ENC28J60 芯片，通过SPI 接口与主控制器通信，同时扩展出一个RJ45 接口来实现与网络的连接；电源模块保证了外部稳压电源的转换，使***各部分工作在正常电压。与现有技术相比，本发明成本低，硬件少，采用C 语言开发，易于移植和二次开发。

Description

一种嵌入式网络终端
技术领域
本发明涉及网络终端技术领域，更具体地说，特别涉及一种嵌入式网络终端。
背景技术
嵌入式网络终端是指基于微控制器的嵌入式***与以太网网络接口构成的网络终端。它一方面负责以太网通过TCP/IP协议栈与PC机进行网络通信，另一方面负责现场的模拟量和开关量的采集和处理；与基于串口、CAN总线的网络接口嵌入式***相比，基于以太网的嵌入式***在数据传输速度上具有明显的优势。
随着网络通信技术和嵌入式***的不断发展融合，嵌入式网络技术在人们的生活中将起到越来越重要的作用，未来的世界将是一个网络信息化的世界。对于小型嵌入式设备来说，借助Internet传送各种数据和信息，可以使用户通过Internet与任何一台PC机进行网络通信与信息共享。伴随着下一代网络中嵌入式设备的增加，嵌入式以太网技术将会成为研究的热点，实现TCP/IP协议和嵌入式***的结合具有重要意义。现有的嵌入式网络终端仍存在成本较高，硬件较多，不易于移植和二次开发等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种嵌入式网络终端，所述网络终端的硬件包括主控制器模块、网络控制器模块、电源模块、看门狗模块。所述网络终端的软件采用C语音开发，包括看门狗程序、网卡控制器驱动程序和TCP/IP 协议三部分构成。
进一步的，主控制器模块采用TI 公司的MSP430F5438 芯片，实现TCP/IP 协议与底层驱动程序的写入。网络控制器模块采用ENC28J60 芯片，通过SPI 接口与主控制器通信；同时扩展出一个RJ45 接口来实现与网络的连接。电源模块保证了外部稳压电源的转换，使***各部分工作在正常电压。看门狗模块主要防止程序跑飞和陷入死循环，弥补了主控制器内置看门狗的不足，提高了***的稳定性。
与现有技术相比，本发明成本低，硬件少，采用C 语言开发，易于移植和二次开发。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述***结构框图。
图2是本发明所述***主控制器模块电路图。
图3是本发明所述***网卡控制器模块电路图。
图4是本发明所述***电源模块电路图。
图5是本发明所述***看门狗电路图。
图6是本发明所述***软件流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参阅图1所示***结构框图，本发明提供一种嵌入式网络终端，所述网络终端的硬件包括主控制器模块、网络控制器模块、电源模块、看门狗模块。
MSP430F5438 是TI 公司推出的超低功耗处理器，内部集成了256KB FLASH 存储器、16KB RAM、精简指令集(RISC)、四个通用通信接口和12位模数转换等。该处理器具有存储空间大，硬件资源多，编写程序简单，调试程序方便的优点，满足***在实现TCP/IP 协议的同时进行网络终端***的数据传输。
***选用Microchip Technology 公司推出的28 引脚独立以太网控制器ENC28j60，该芯片改善了以太网电路存在的电路结构复杂，连线较多的缺陷，具有很好的数据传输功能，在提供所需功能的同时大大简化了设计。除此之外，ENC28J60 兼容IEEE802.3协议，同时内置了10M/S 的以太网物理层器件（PHY）和介质访问控制器（MAC），与主控制器连接的SPI接口最高速度可达10M/S，可以按以太网协议可靠地收发数据包。
MSP430F5438 通过SPI 接口与ENC28J60 进行通信，MSP430F5438 的SCK、MISO、MOSI 管脚分别连接ENC28J60 的SCK、SI、SO 引脚；P10.6 数字I/O 接ENC28J60 的引脚。主控制器通过SPI 接口发送命令并访问ENC28j60 的寄存器或接收/发送缓冲区，ENC28J60 在SCK 的上升沿将单片机的命令和数据通过SI 引脚输入，在SCK 的每个下降沿将传给主控制器的数据从SO 引脚送出，SCK 在空闲状态时必须保持低电平。为SPI的片选输出引脚，当执行操作时引脚保持低电平，当操作完成后返回高电平。
由于 MSP430F5438 的工作电压为2.2V~3.6V，而ENC28J60 的工作电压3.14V~3.45V。为了保证***的正常工作，LM596 开关电压调节器将给***供电的12V 直流稳压电源调节输出为5V，再经过AS1117低压差线性稳压器将5V 转化为适合***的的3.3V。
看门狗定时器的功能是出现软件问题和程序跑飞后使***重新启动。MSP430F45438 内部虽然自带有看门狗及复位电路，但在工作时多存在一定的误差，为了提高***可靠性采用外置看门狗电路。本***采用TPS3823 型电压监控电路，当引脚为低电平时激活，内部看门狗定时器可被MSP430F5438 的P2.0 引脚正、负跳变电平清零，若超过一定时间没有电平跳变，则输出低电平对***复位。
看门狗程序主要是对***进行监控来防止程序跑飞和陷入死循环，若超过1.6s没有对看门狗计数器清零，则***复位。首先选择晶体振荡器XT2 作为作为主***时钟、子***时钟和辅助***时钟的时钟源，设置主***时钟分频数为2，开晶体振荡器并设振荡范围为8~16M。然后将P2.0 设置为数字I/O 输出，定时器A的比较/捕获寄存器TA1CCTL0 设置为CCIE，计数周期设置为TA1CCR0=6000。最后定时器A的控制寄存器选择主***时钟作为时钟源，连续计数模式。在上电的情况下主***时钟的为6M，在计数达到6000 后进入中断；在中断程序中定义变量timecount，timeou 变量每计数20 次后P2.0 输出电平发生跳变，使得LED 每40ms 闪烁一次，保证看门狗计数器溢出之前清零。
网卡控制器驱动程序实现低层网络接口及硬件函数的驱动。在主控制器中加载网卡芯片的配置信息，将发送的数据包按指定格式写入芯片的输入/输出缓冲区中并启动发送命令，同时自动把数据包转换成物理帧格式在物理信道上传输。网卡驱动程序主要由初始化操作，读写操作，收发数据包操作三部分组成。
初始化操作：ENC28j60 在发送和接收数据之前需要进行初始化设置，初始化函数enc28j60_initialize( )对各个寄存器进行初始化并完成相关的配置。初始化操作主要包括接收和发送缓冲器、接收过滤器、晶振启动时间、MAC 寄存器和PHY 寄存器的设置等。
读写操作：（1）读写函数主要完成主控制器与网卡控制器的通信。当有数据移动到发送缓冲区时，USCI 开始数据发；若发送移位寄存器为空，缓冲区的数据进入，并在UCB2SIMO 端发送数据。在相反的时钟边沿，UCB2SOMI 端的数据移位到数据接收寄存器；字符数据被接收时，数据会从接收移位寄存器移动到数据接收缓冲区UCXRXBUF，且接收中断标志位UCRXIFG 置1，数据的接收和发送工作完成。（2）读写缓冲通过设置环形缓冲区区来完成。定义大小为2048 的数组，一个指向下一次数据写入地址的指针PtrIn 和一个指向下一次数据读出地址的指针PtrOut。在创建缓冲区时，指针PtrIn和PtrOut都初始化到缓冲区的起点BUF-BEGIN，即数组的第一个地址空间。写入数据后，两指针不再指向同一地址，随着数据的不断写入两个指针会再次指向同一地址，通过一个标志变量来判断缓冲区是满还是空。
收发数据包操作：（1）发送数据包：寄存器MAC 在发送时自动生成前导符和帧起始定界符，根据配置生成填充和CRC 字段；而其它所有帧字段由主控制器生成，并将它们写进缓冲存储器以待发送。除此之外，ENC28J60 会在待发送的数据包前添加一个包控制字节。（二）接收数据包：将MAC 地址正确配置，同时将接受过滤器配置为接收以太网数据包。在使能接收后没有过滤掉的数据包将写入环形缓冲区，任何不符合过滤条件的数据包将被丢弃。当接收到一个数据包并将其完整写入环形缓冲区时，EPKTCNT 寄存器将递增，EIR.PKTIF位将置1，并产生一个中断，同时硬件写指针ERXWRPT自动递增。
以上发送、接收过程完成的是MAC 地址和物理层的协议，要实现嵌入式***与以太网上其它设备的通信还需要TCP/IP 协议。由于单片机的资源有限，所以网络协议根据嵌入式应用做了裁剪；***中使用了ARP、ICMP、IP、UDP 等部分协议，既保证了单片机接入以太网，又保证了足够小的代码量。
（1）网络层
IP 协议是TCP/IP 协议中最核心的协议，主要校验IP 报头和实现ICMP、UDP 协议之间的多路复用的功能。ARP 协议主要完成网络地址到物理地址的映射；ICMP 协议负责传递差错报文以及其它需要的信息。
（2）传输层
UDP 协议是一种面向无连接的不可靠的协议，实现对数据包的处理。该协议判断其端口和校验和是否正确，如果正确则交给相应的端口应用程序，不正确则丢弃掉；对从应用程序收到的数据包，设置响应的源端口号和目的端口号后交给IP 层发送。UDP 协议开销比较小，比TCP 协议更适合应用在单片机嵌入式领域。
首先用交叉线分别连接PC 机和网络终端，通过PC 机向网络终端发送数据，发现网卡控制器的两个灯亮；读环形缓冲区中的接收数据包发现与PC 机发送的数据一致，说明网卡驱动程序配置正确；然后在程序中正确设置网关、子网掩码、MAC 地址等参数，网络终端通过以太网与PC 机连接以后，在PC 端用PING 命令来测试网络终端的IP 地址，结果显示正确，说明以太网连接成功。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种嵌入式网络终端，包括硬件和软件，其特征在于：所述网络终端的硬件包括主控制器模块、网络控制器模块、电源模块、看门狗模块；所述网络终端的软件采用C语音开发，包括看门狗程序、网卡控制器驱动程序和TCP/IP 协议三部分构成；所述主控制器模块采用TI 公司的MSP430F5438 芯片；所述网络控制器模块采用ENC28J60 芯片，通过SPI 接口与主控制器通信，同时扩展出一个RJ45 接口来实现与网络的连接；电源模块保证了外部稳压电源的转换，使***各部分工作在正常电压。
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