基于網(wǎng)絡(luò)單片機PIC18F97J60的開發(fā)與應(yīng)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，可以實現(xiàn)成本低、簡單易用的以太網(wǎng)應(yīng)用方案。此外，利用Microchip公司免費提供的TCP/IP軟件棧，能夠大大縮短開發(fā)時間。

　　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。這是一個完整的連接解決方案，完全實現(xiàn)了介質(zhì)訪問控制(Media Access Control，MAC)和物理層收發(fā)器(Physical Layer Transcei、ver，PHY)模塊，只需使用2個脈沖變壓器和一些無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)于雙絞線網(wǎng)絡(luò)10Base—T連接的規(guī)定。它在內(nèi)部實現(xiàn)了一些數(shù)據(jù)包過濾機制，用于限制傳入的數(shù)據(jù)包。它提供了一個用于實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐的內(nèi)置DMA模塊，以及硬件IP校驗和計算;另外還提供了2個用于指示鏈路和網(wǎng)絡(luò)活動的LED輸出。以太網(wǎng)模塊包含以下5個主要功能模塊：

　?、貾HY收發(fā)器模塊——對傳輸雙絞線接口上的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和解碼，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收;

　　②MAC模塊——實現(xiàn)了符合IEEE 802.3規(guī)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(qū)——用于存儲已經(jīng)接收和將要發(fā)送的數(shù)據(jù)包;

　?、芘袃?yōu)器——在單片機內(nèi)核、DMA、發(fā)送和接收模塊發(fā)出請求時，控制對RAM緩沖區(qū)的訪問;

　?、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(nèi)部狀態(tài)信號的譯碼器。

　　1.2 應(yīng)用實例

　　圖1表明，基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是由連接互聯(lián)網(wǎng)的主PC機和監(jiān)測裝置構(gòu)成的。其中，監(jiān)測裝置代表某個接入網(wǎng)絡(luò)的嵌入式系統(tǒng)，它既可以是工控應(yīng)用中的溫度、壓力及流量等監(jiān)控設(shè)備，也可以是家庭應(yīng)用中的網(wǎng)絡(luò)家電等。網(wǎng)絡(luò)單片機為該監(jiān)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(shù)據(jù)，還具有嵌入式網(wǎng)關(guān)的功能，可以實現(xiàn)監(jiān)測裝置的網(wǎng)絡(luò)接入?；ヂ?lián)網(wǎng)上的主PC機通過Web形式訪問監(jiān)測裝置，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

　　2、開發(fā)工具

　　2.1 PICDEM.net2開發(fā)板

　　PICDEM.net.2開發(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，可以用來存儲網(wǎng)頁和一些配置信息;可以通過SPI接口編程;RJ一45(10Base一T)標(biāo)準(zhǔn)連接器，其J1連接到PICl8F97J60;RJ一1l(6線)標(biāo)準(zhǔn)連接器，用于通信和器件編程或調(diào)試的USB連接;串口RS232，可以用來配置芯片的IP和以太網(wǎng)地址，也可以用來下載新的網(wǎng)頁到EEPROM等。

　　此外，開發(fā)板還提供了Mirochip公司的獨立以太網(wǎng)控制器ENC28J60，用來開發(fā)不帶以太網(wǎng)控制器的單片機，可通過標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口連接。開發(fā)板提供的其他設(shè)備包括LCD顯示器、LED指示燈、按鈕開關(guān)、溫度傳感器、用于連接擴展卡的插座或邊緣連接器、實驗用布線區(qū)(面包板)及電源等。

　　通過PICDEM.net2開發(fā)板可以方便地開發(fā)各種定制的PICl8F97J60應(yīng)用系統(tǒng)，經(jīng)裁剪或擴充，完成應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計。

　　2.2 在線調(diào)試器MPLAB ICD2

　　選擇MPLAB ICD2作為在線調(diào)試器和燒寫器。Microchip公司提供的在線調(diào)試器MPIAB ICD2是一款功能強大而成本低的運行時開發(fā)工具，通過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：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(biāo)應(yīng)用中對固件再編程，而不需要其他在線燒寫器設(shè)備。通信方式使用默認(rèn)的USB接口方式。為了避免目標(biāo)板負(fù)載過重對ICD2帶來損害，應(yīng)采用目標(biāo)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(yīng)用開發(fā)提供了便利。Microchip TCP/IP協(xié)議棧是一套程序，它服務(wù)于標(biāo)準(zhǔn)的、基于TCP/IP的應(yīng)用程序，或者應(yīng)用在定制的、基于TCP/IP的應(yīng)用程序中。本應(yīng)用系統(tǒng)使用的是該協(xié)議棧的4.02版本。

　　類似于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。每層的實現(xiàn)代碼駐留在一個獨立的源文件中，而服務(wù)和應(yīng)用程序編程接口(API)是通過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問在它下面的一層或多層。關(guān)于一個層是否繞過相鄰模塊來獲得所需的服務(wù)，主要根據(jù)開銷的大小，以及服務(wù)是否需要智能處理后才能傳遞到下一層來決定。與傳統(tǒng)TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)方法的不同之處是添加了2個新模塊：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(tǒng)中，同時存在多個任務(wù)，每個任務(wù)執(zhí)行自己的作業(yè)然后交回控制權(quán)，這樣下一個任務(wù)才能夠執(zhí)行作業(yè)。StackTask和ARPTask都是協(xié)同式任務(wù)。Microchip TCP/IP協(xié)議棧盡管沒有實現(xiàn)通常TCP/IP協(xié)議棧中的所有模塊，但是在需要時可以將它們作為單獨的任務(wù)或模塊來實現(xiàn)。

　　2.4 Stack Manager

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

　　使用Microchip TCP/IP協(xié)議棧的任何應(yīng)用程序都必須執(zhí)行一定的步驟，以確保在適當(dāng)?shù)臅r間調(diào)用相應(yīng)的模塊(例如IP、TCP、UDP和ICMP)。無論主應(yīng)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(yīng)用程序管理各個模塊的負(fù)擔(dān)，Micro—chip TCP/IP協(xié)議棧使用了一個特殊的應(yīng)用程序?qū)幽K，稱為“StackTask”或“Stack Manager”。Stack Manager以協(xié)同式任務(wù)處理方式來實現(xiàn)。被賦予處理時間后，它將輪詢MAC層是否存在有效的數(shù)據(jù)包。若接收到一個包，它將對其進(jìn)行解碼并路由到相應(yīng)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。這樣主應(yīng)用程序除了自己的工作以外，不需要管理協(xié)議棧模塊。執(zhí)行StackManager任務(wù)之前，必須通過調(diào)用StackInit()函數(shù)來對其進(jìn)行初始化。這個函數(shù)按正確的順序初始化Stack Man—ager變量和各個模塊。一旦調(diào)用Stacklnit()，主程序就必須定期調(diào)用StackTask()函數(shù)，以確保及時處理所有進(jìn)入的包，以及所有的超時和錯誤條件。

　　2.5 MicrOChip HTTP服務(wù)器

　　Microehip HTTP服務(wù)器以協(xié)同式任務(wù)處理方式實現(xiàn)，它與Microchip TCP/IP協(xié)議棧以及用戶的主應(yīng)用程序共存。這個服務(wù)器自身在源文件“HTTP.c”中實現(xiàn)，使用一個用戶應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)2個回調(diào)函數(shù)。

　　這里提供的HTTP服務(wù)器不會實現(xiàn)所有的HTTP功能，它是面向嵌入式系統(tǒng)的最小型服務(wù)器。用戶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(nèi)部程序存儲器或外部串行EEPROM中的網(wǎng)頁、簡單文件系統(tǒng)(MPFS)、動態(tài)網(wǎng)頁內(nèi)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(yīng)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。這要求所有應(yīng)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(tǒng)開發(fā)過程

　　3.1 動態(tài)HTTP頁面生成

　　本應(yīng)用系統(tǒng)實例中服務(wù)器端網(wǎng)頁的設(shè)計涉及2項網(wǎng)頁開發(fā)技術(shù)：AJAX和CGI。篇幅所限，網(wǎng)頁編程代碼略。AJAX全稱為“Asynchronoous JavaScript and XML”(異步JavaScript和XML)，是指一種創(chuàng)建交互式網(wǎng)頁應(yīng)用的網(wǎng)頁開發(fā)技術(shù)。與傳統(tǒng)的Web應(yīng)用不同，AJAX應(yīng)用可以僅向服務(wù)器發(fā)送并取回必需的數(shù)據(jù)，它使用SOAP或其他一些基于XML的web service接口，并在客戶端采用JavaScript處理來自服務(wù)器的響應(yīng)。因為在服務(wù)器和瀏覽器之間交換的數(shù)據(jù)大量減少，因此就能看到響應(yīng)更快的應(yīng)用。同時，很多的處理工作可以在發(fā)出請求的客戶端機器上完成，所以web服務(wù)器的處理時間也縮短了。

　　CGI(Common Gate Interface，通用網(wǎng)關(guān)接口)是Web服務(wù)器與客戶端HTML頁面的接口。通俗地講，CGI就像是一座橋，把網(wǎng)頁和Web服務(wù)器中的執(zhí)行程序連接起來，把HTML接收的指令傳遞給服務(wù)器，同時把服務(wù)器執(zhí)行的結(jié)果返還給HTML頁。CGI可以實現(xiàn)處理表格、據(jù)庫查詢、送電子郵件等許多操作，常見的cGI就是計數(shù)器。CGI使網(wǎng)頁不再是靜態(tài)的，而變成是交互式的。

　　3.2 集成環(huán)境設(shè)計

　　MPLAB IDEv8.OO提供了一個編程環(huán)境，由于使用C語言編程，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公司為其所有的開發(fā)工具研發(fā)的，使用前需要選擇MPLAB ICD2。ICD2可以充當(dāng)調(diào)試器和燒寫器，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(biāo)文件和監(jiān)控程序一起燒寫入待調(diào)試的MCU中。

　　MPLAB ICD2通過USB線連接主機，但不能使用默認(rèn)的驅(qū)動。手動在MPLAB IDE軟件中找到ICD2_USB驅(qū)動。這個路徑包含1CD2W2K.INF、ICD2W2K.SYS、ICD2W2K L.SYS等文件。

　　運行MPLAB.exe后，選擇PICl8F97J60及MPLABICD2，則系統(tǒng)可下載配合該芯片使用的硬件操作系統(tǒng)。完成下載后，系統(tǒng)會檢查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(yīng)用程序中，較容易實現(xiàn)且節(jié)省存儲空間的方法是調(diào)用堆棧文件。但是當(dāng)集成很多的應(yīng)用程序時，使用該專用協(xié)議棧可能會產(chǎn)生特殊問題。本系統(tǒng)應(yīng)用只是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集等簡單應(yīng)用，因此不必考慮此問題，只需要修改主應(yīng)用程序MainDemo.c。這是Demo Application的核心文件，用來調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)的Microehip TCP/IP堆棧文件。

　　主應(yīng)用程序MainDemo.c是服務(wù)器端程序執(zhí)行的入口。它首先配置硬件，然后調(diào)用TCP/IP堆棧，運行檢測程序，并等待客戶端的請求。通過編譯主程序生成.0結(jié)尾的目標(biāo)文件，連接生成.hex和.cof文件。最后，結(jié)合Microchip公司的編程工具ICD2將映像燒寫到單片機。

　　Microchip HTTP服務(wù)器使用簡單文件系統(tǒng)(Micro—chip文件系統(tǒng)或MPFS)來存儲網(wǎng)頁。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)上存儲多個文件。

　　Microchip提供了MPFS.exe程序?qū)⒕W(wǎng)頁轉(zhuǎn)換為MPFS映像。在創(chuàng)建MPFS映像之前，用戶必須先創(chuàng)建所有的網(wǎng)頁和相關(guān)文件，并保存在同一個目錄中。如果文件擴展名是“htm”，則Image Builder將去掉所有回車和換行字符來減小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32 KB。接著需要把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，通過串口將MPFS映像傳送到EEPROM。

　　此外，還要通過串口對單片機進(jìn)行IP地址的設(shè)定，這樣就完成了整個系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計。打開主PC機瀏覽器，輸入遠(yuǎn)程單片機的IP地址，可以看到主控制監(jiān)測頁面，通過網(wǎng)頁即可實現(xiàn)對遠(yuǎn)程單片機監(jiān)測裝置的控制，以及對溫度、流量等信息的監(jiān)測等。