基于網(wǎng)絡(luò )單片機PIC18F97J60的開(kāi)發(fā)與應用

　　Microchip公司生產(chǎn)的PICl8F97J60單片機將PIC18系列高端8位單片機與完整的以太網(wǎng)控制器集成在一起，并且包括了MAC、PHY和RAM收發(fā)緩沖器。利用這一64或100引腳封裝的系列器件享有的完善網(wǎng)絡(luò )連接功能，可以實(shí)現成本低、簡(jiǎn)單易用的以太網(wǎng)應用方案。此外，利用Microchip公司免費提供的TCP/IP軟件棧，能夠大大縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。

　　1、PICl8F97J60網(wǎng)絡(luò )單片機

　　1.1 網(wǎng)絡(luò )特性

　　PICl8F97J60系列器件具有嵌入式以太網(wǎng)控制器模塊。這是一個(gè)完整的連接解決方案，完全實(shí)現了介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制(Media Access Control，MAC)和物理層收發(fā)器(Physical Layer Transcei、ver，PHY)模塊，只需使用2個(gè)脈沖變壓器和一些無(wú)源元件就可以將單片機直接與以太網(wǎng)相連。以太網(wǎng)模塊符合IEEE 802.3中所有關(guān)于雙絞線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )10Base—T連接的規定。它在內部實(shí)現了一些數據包過(guò)濾機制，用于限制傳入的數據包。它提供了一個(gè)用于實(shí)現快速數據吞吐的內置DMA模塊，以及硬件IP校驗和計算;另外還提供了2個(gè)用于指示鏈路和網(wǎng)絡(luò )活動(dòng)的LED輸出。以太網(wǎng)模塊包含以下5個(gè)主要功能模塊：

　?、貾HY收發(fā)器模塊——對傳輸雙絞線(xiàn)接口上的模擬數據進(jìn)行編碼和解碼，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送和接收;

　?、贛AC模塊——實(shí)現了符合IEEE 802.3規范的MAC邏輯，并提供了用于控制PHY的MIIM(Media In—dependent Interface Management);

　?、郦毩⒌? KB RAM緩沖區——用于存儲已經(jīng)接收和將要發(fā)送的數據包;

　?、芘袃?yōu)器——在單片機內核、DMA、發(fā)送和接收模塊發(fā)出請求時(shí)，控制對RAM緩沖區的訪(fǎng)問(wèn);

　?、菁拇嫫鹘涌凇米饕蕴W(wǎng)模塊和單片機特殊功能寄存器(SFR)之間命令和內部狀態(tài)信號的譯碼器。

　　1.2 應用實(shí)例

　　圖1表明，基于互聯(lián)網(wǎng)的遠程控制系統是由連接互聯(lián)網(wǎng)的主PC機和監測裝置構成的。其中，監測裝置代表某個(gè)接入網(wǎng)絡(luò )的嵌入式系統，它既可以是工控應用中的溫度、壓力及流量等監控設備，也可以是家庭應用中的網(wǎng)絡(luò )家電等。網(wǎng)絡(luò )單片機為該監測裝置的核心，其不僅可以采集和處理溫度或流量等傳感器數據，還具有嵌入式網(wǎng)關(guān)的功能，可以實(shí)現監測裝置的網(wǎng)絡(luò )接入?；ヂ?lián)網(wǎng)上的主PC機通過(guò)Web形式訪(fǎng)問(wèn)監測裝置，實(shí)現遠程監控。

　　2、開(kāi)發(fā)工具

　　2.1 PICDEM.net2開(kāi)發(fā)板

　　PICDEM.net.2開(kāi)發(fā)板除了包含PICl8F97J60核心器件外，與網(wǎng)絡(luò )接入有關(guān)的功能還包括：串行EEPROM提供256 Kb(32 KB)存儲空間，可以用來(lái)存儲網(wǎng)頁(yè)和一些配置信息;可以通過(guò)SPI接口編程;RJ一45(10Base一T)標準連接器，其J1連接到PICl8F97J60;RJ一1l(6線(xiàn))標準連接器，用于通信和器件編程或調試的USB連接;串口RS232，可以用來(lái)配置芯片的IP和以太網(wǎng)地址，也可以用來(lái)下載新的網(wǎng)頁(yè)到EEPROM等。

　　此外，開(kāi)發(fā)板還提供了Mirochip公司的獨立以太網(wǎng)控制器ENC28J60，用來(lái)開(kāi)發(fā)不帶以太網(wǎng)控制器的單片機，可通過(guò)標準的SPI接口連接。開(kāi)發(fā)板提供的其他設備包括LCD顯示器、LED指示燈、按鈕開(kāi)關(guān)、溫度傳感器、用于連接擴展卡的插座或邊緣連接器、實(shí)驗用布線(xiàn)區(面包板)及電源等。

　　通過(guò)PICDEM.net2開(kāi)發(fā)板可以方便地開(kāi)發(fā)各種定制的PICl8F97J60應用系統，經(jīng)裁剪或擴充，完成應用系統的硬件電路設計。

　　2.2 在線(xiàn)調試器MPLAB ICD2

　　選擇MPLAB ICD2作為在線(xiàn)調試器和燒寫(xiě)器。Microchip公司提供的在線(xiàn)調試器MPIAB ICD2是一款功能強大而成本低的運行時(shí)開(kāi)發(fā)工具，通過(guò)RS232或高速USB接口與主PC機相連。與ICE相比，其仿真功能有一些限制，但有如下突出的優(yōu)點(diǎn)：在產(chǎn)品量產(chǎn)后，只要保留6芯插針，就可直接與ICD2相連;ICD2可以在目標應用中對固件再編程，而不需要其他在線(xiàn)燒寫(xiě)器設備。通信方式使用默認的USB接口方式。為了避免目標板負載過(guò)重對ICD2帶來(lái)?yè)p害，應采用目標板獨立供電。

　　2.3 Microchip TCP/IP協(xié)議棧

　　Microchip公司提供免費的TCP/IP軟件棧，為應用開(kāi)發(fā)提供了便利。Microchip TCP/IP協(xié)議棧是一套程序，它服務(wù)于標準的、基于TCP/IP的應用程序，或者應用在定制的、基于TCP/IP的應用程序中。本應用系統使用的是該協(xié)議棧的4.02版本。

　　類(lèi)似于TCP/IP參考模型，Microchip TCP/IP協(xié)議棧將TCP/IP協(xié)議棧分為多層，如圖2所示。每層的實(shí)現代碼駐留在一個(gè)獨立的源文件中，而服務(wù)和應用程序編程接口(API)是通過(guò)頭文件或包含文件定義的。與TCP/IP參考模型不同的是，Microchip TCP/IP協(xié)議棧中的許多層可以直接訪(fǎng)問(wèn)在它下面的一層或多層。關(guān)于一個(gè)層是否繞過(guò)相鄰模塊來(lái)獲得所需的服務(wù)，主要根據開(kāi)銷(xiāo)的大小，以及服務(wù)是否需要智能處理后才能傳遞到下一層來(lái)決定。與傳統TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現方法的不同之處是添加了2個(gè)新模塊：StackTask和ARPTask。Stackrrask管理協(xié)議棧及其所有模塊的操作，而ARPTask管理地址解析協(xié)議(Address ResohJtion Protocol，ARP)層的服務(wù)。Microchip TCP/IP協(xié)議棧使用了協(xié)同式多任務(wù)處理技術(shù)。在協(xié)同式多任務(wù)處理系統中，同時(shí)存在多個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)執行自己的作業(yè)然后交回控制權，這樣下一個(gè)任務(wù)才能夠執行作業(yè)。StackTask和ARPTask都是協(xié)同式任務(wù)。Microchip TCP/IP協(xié)議棧盡管沒(méi)有實(shí)現通常TCP/IP協(xié)議棧中的所有模塊，但是在需要時(shí)可以將它們作為單獨的任務(wù)或模塊來(lái)實(shí)現。

　　2.4 Stack Manager

　　Microchip TCP/IP協(xié)議棧由多個(gè)模塊組成。在使用模塊之前，用戶(hù)必須查閱并了解它的用途和API。函數的語(yǔ)法、參數、返回值、前提條件等具體問(wèn)題可以在編程時(shí)針對具體的問(wèn)題單獨查閱。

　　使用Microchip TCP/IP協(xié)議棧的任何應用程序都必須執行一定的步驟，以確保在適當的時(shí)間調用相應的模塊(例如IP、TCP、UDP和ICMP)。無(wú)論主應用程序邏輯如何，管理協(xié)議棧模塊的任務(wù)都始終相同。

　　為了減輕主應用程序管理各個(gè)模塊的負擔，Micro—chip TCP/IP協(xié)議棧使用了一個(gè)特殊的應用程序層模塊，稱(chēng)為“StackTask”或“Stack Manager”。Stack Manager以協(xié)同式任務(wù)處理方式來(lái)實(shí)現。被賦予處理時(shí)間后，它將輪詢(xún)MAC層是否存在有效的數據包。若接收到一個(gè)包，它將對其進(jìn)行解碼并路由到相應的模塊做下一步的處理。

　　Stack Manager。不是Mirochip TCP/IP協(xié)議棧的一部分，它與協(xié)議棧一起提供給用戶(hù)。這樣主應用程序除了自己的工作以外，不需要管理協(xié)議棧模塊。執行StackManager任務(wù)之前，必須通過(guò)調用StackInit()函數來(lái)對其進(jìn)行初始化。這個(gè)函數按正確的順序初始化Stack Man—ager變量和各個(gè)模塊。一旦調用Stacklnit()，主程序就必須定期調用StackTask()函數，以確保及時(shí)處理所有進(jìn)入的包，以及所有的超時(shí)和錯誤條件。

　　2.5 MicrOChip HTTP服務(wù)器

　　Microehip HTTP服務(wù)器以協(xié)同式任務(wù)處理方式實(shí)現，它與Microchip TCP/IP協(xié)議棧以及用戶(hù)的主應用程序共存。這個(gè)服務(wù)器自身在源文件“HTTP.c”中實(shí)現，使用一個(gè)用戶(hù)應用程序實(shí)現2個(gè)回調函數。

　　這里提供的HTTP服務(wù)器不會(huì )實(shí)現所有的HTTP功能，它是面向嵌入式系統的最小型服務(wù)器。用戶(hù)可以按需要方便地添加新功能。HTTP服務(wù)器主要功能包括：支持位于內部程序存儲器或外部串行EEPROM中的網(wǎng)頁(yè)、簡(jiǎn)單文件系統(MPFS)、動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)內容生成和基于PC的程序，以及從給定目錄創(chuàng )建MPFS映像等。

　　對于Microchip協(xié)議棧及其HTTP服務(wù)器，特定格式是MPFS。如果MPFS映像要存儲在外部EEPROM中，則可能需要在應用程序中包含編程方法。HTTP服務(wù)器使用文件“index.htm’’作為它的缺省網(wǎng)頁(yè)。這要求所有應用程序都將名為“index.htm"的文件作為它們MPFS映像的一部分。

　　3、系統開(kāi)發(fā)過(guò)程

　　3.1 動(dòng)態(tài)HTTP頁(yè)面生成

　　本應用系統實(shí)例中服務(wù)器端網(wǎng)頁(yè)的設計涉及2項網(wǎng)頁(yè)開(kāi)發(fā)技術(shù)：AJAX和CGI。篇幅所限，網(wǎng)頁(yè)編程代碼略。AJAX全稱(chēng)為“Asynchronoous JavaScript and XML”(異步JavaScript和XML)，是指一種創(chuàng )建交互式網(wǎng)頁(yè)應用的網(wǎng)頁(yè)開(kāi)發(fā)技術(shù)。與傳統的Web應用不同，AJAX應用可以?xún)H向服務(wù)器發(fā)送并取回必需的數據，它使用SOAP或其他一些基于XML的web service接口，并在客戶(hù)端采用JavaScript處理來(lái)自服務(wù)器的響應。因為在服務(wù)器和瀏覽器之間交換的數據大量減少，因此就能看到響應更快的應用。同時(shí)，很多的處理工作可以在發(fā)出請求的客戶(hù)端機器上完成，所以web服務(wù)器的處理時(shí)間也縮短了。

　　CGI(Common Gate Interface，通用網(wǎng)關(guān)接口)是Web服務(wù)器與客戶(hù)端HTML頁(yè)面的接口。通俗地講，CGI就像是一座橋，把網(wǎng)頁(yè)和Web服務(wù)器中的執行程序連接起來(lái)，把HTML接收的指令傳遞給服務(wù)器，同時(shí)把服務(wù)器執行的結果返還給HTML頁(yè)。CGI可以實(shí)現處理表格、據庫查詢(xún)、送電子郵件等許多操作，常見(jiàn)的cGI就是計數器。CGI使網(wǎng)頁(yè)不再是靜態(tài)的，而變成是交互式的。

　　3.2 集成環(huán)境設計

　　MPLAB IDEv8.OO提供了一個(gè)編程環(huán)境，由于使用C語(yǔ)言編程，故下載并安裝了免費的C編譯器MPLAB—C18一Student Edition—v3_16.exe。MPLAB集成環(huán)境是Micro—chip公司為其所有的開(kāi)發(fā)工具研發(fā)的，使用前需要選擇MPLAB ICD2。ICD2可以充當調試器和燒寫(xiě)器，debug—ger和programmer在菜單中都可以進(jìn)行選擇。在debug—ger模式下，Program按鈕表示把目標文件和監控程序一起燒寫(xiě)入待調試的MCU中。

　　MPLAB ICD2通過(guò)USB線(xiàn)連接主機，但不能使用默認的驅動(dòng)。手動(dòng)在MPLAB IDE軟件中找到ICD2_USB驅動(dòng)。這個(gè)路徑包含1CD2W2K.INF、ICD2W2K.SYS、ICD2W2K L.SYS等文件。

　　運行MPLAB.exe后，選擇PICl8F97J60及MPLABICD2，則系統可下載配合該芯片使用的硬件操作系統。完成下載后，系統會(huì )檢查ICD2的連接情況。

　　建立工程項目包括下載安裝Microchip TCP/IP協(xié)議棧、修改編譯選項等。要將TCP/IP協(xié)議棧集成在主應用程序中，較容易實(shí)現且節省存儲空間的方法是調用堆棧文件。但是當集成很多的應用程序時(shí)，使用該專(zhuān)用協(xié)議?？赡軙?huì )產(chǎn)生特殊問(wèn)題。本系統應用只是進(jìn)行數據采集等簡(jiǎn)單應用，因此不必考慮此問(wèn)題，只需要修改主應用程序MainDemo.c。這是Demo Application的核心文件，用來(lái)調用標準的Microehip TCP/IP堆棧文件。

　　主應用程序MainDemo.c是服務(wù)器端程序執行的入口。它首先配置硬件，然后調用TCP/IP堆棧，運行檢測程序，并等待客戶(hù)端的請求。通過(guò)編譯主程序生成.0結尾的目標文件，連接生成.hex和.cof文件。最后，結合Microchip公司的編程工具ICD2將映像燒寫(xiě)到單片機。

　　Microchip HTTP服務(wù)器使用簡(jiǎn)單文件系統(Micro—chip文件系統或MPFS)來(lái)存儲網(wǎng)頁(yè)。MPFS映像可以存儲在片上程序存儲器或外部串行EEPROM中，它采用特殊的格式在給定的存儲介質(zhì)上存儲多個(gè)文件。

　　Microchip提供了MPFS.exe程序將網(wǎng)頁(yè)轉換為MPFS映像。在創(chuàng )建MPFS映像之前，用戶(hù)必須先創(chuàng )建所有的網(wǎng)頁(yè)和相關(guān)文件，并保存在同一個(gè)目錄中。如果文件擴展名是“htm”，則Image Builder將去掉所有回車(chē)和換行字符來(lái)減小MPFS映像的大小。需要注意的是，生成的映像文件大小不要超過(guò)32 KB。接著(zhù)需要把MpfsHan—Img.bin映像使用堆棧所提供的ftp服務(wù)上傳到EEP-ROM。也可以利用超級終端，通過(guò)串口將MPFS映像傳送到EEPROM。

　　此外，還要通過(guò)串口對單片機進(jìn)行IP地址的設定，這樣就完成了整個(gè)系統架構的設計。打開(kāi)主PC機瀏覽器，輸入遠程單片機的IP地址，可以看到主控制監測頁(yè)面，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)即可實(shí)現對遠程單片機監測裝置的控制，以及對溫度、流量等信息的監測等。