Как работает микросхема сетевого контроллера. Решения Microchip для промышленных и высокопроизводительных сетей Ethernet. Обзор микроконтроллеров Microchip со встроенным Ethernet

Как показала практика, бытовые спутниковые тюнера, используемые кабельными операторами, нередко приходится перезапускать из-за периодического пропадания звука или изображения. Вызвано это различными факторами: неоднородный уровень сигнала с конвектора, перегрев приёмника или высыхание электролитов. Можно держать дежурный персонал для оперативного переключения, однако когда это экономически невыгодно поможет описываемый девайс. В принципе, применение разработанного устройства не ограничено только этой сферой деятельности.

Кратко:
Назначение. Позволяет посредством локальной сети (или Интернета) управлять включением и отключением нагрузок, подключенных к управляемым реле.
Устройство. Принципиально устройство состоит из трёх модулей: Ethernet-модуль, модуль микроконтроллера, модуль управления нагрузками.
Ethernet-модуль собран на микросхеме от Microchip ENC28J60 и его целесообразнее взять готовый, например здесь: http://www.aliexpress.com/wholesale?SearchText=enc28j60 . В качестве микроконтроллера использовал микросхему Atmega32. В модуле управления стоят транзисторные ключи, включающие соответствующие реле. Каждое реле включает или отключает питание на потребителе, нуждающемся в этом.
Принцип действия. Принцип действия устройства несложно понять из принципиальной схемы:

Для интерактивного использования системы предусмотрен веб-интерфейс, зайдя в который, оператор включает или отключает соответствующий порт(см.рисунок). Конструкцией и прошивкой предусмотрено использование 20 портов вывода: PA0…PA7, PC0…PC7, PD4…PD7. Однако, при желании количество выходов можно увеличить до 80 штук — для этого необходимо использовать дешифраторы (например К155ИД3) и переписать яваскрипт вебпанели, чтобы выходы МК генерировали управляющие слова (0x0…0xF). Такой подход несколько усложнит схему устройства и появится необходимость перезагрузки тюнеров «по очереди». Гораздо уместнее использовать несколько описываемых устройств под различными IP-адресами.

Прошивка микроконтроллера . Чтобы прошить Atmega32 я использовал программатор «4 проводка» для COM-порта и софт . Прошивал на стареньком ПК под управлением Windows XP. На современных операционках не пробовал, ввиду отсутствия COM-а. прошивки.

Ещё необходимо установить фьюзы как на картинке.

Исходные коды прошивки с комментариями можно скачать . В папке с исходниками лежит рабочий Makefile. Чтобы скомпилировать проект я пользовался бесплатным . Для этого открываем командную строку, заходим в папку с проектом и набираем «make». В результате работы компилятора в папке появится несколько промежуточных файлов линкования и файл прошивки HEX.

Чтобы очистить результат работы компилера — там же, в командной строке, пишем «make clean».

Если будете пилить исходники, то обратите внимание на две функции:

Fill_tcp_data_p(buf,plen,PSTR("строка, передаваемая в пакет")); char stroka = "строка, передаваемая в пакет"; fill_tcp_data(buf,plen,stroka);

Первую функцию используем там, где явно необходимо передать строку (статический текст). Вторую юзаем со строковыми переменными.
Из файла ip_arp_udp_tcp.c :

Uint16_t fill_tcp_data_p(uint8_t *buf,uint16_t pos, const prog_char *progmem_s) { char c; // fill in tcp data at position pos // // with no options the data starts after the checksum + 2 more bytes (urgent ptr) while ((c = pgm_read_byte(progmem_s++))) { buf=c; pos++; } return(pos); } ... uint16_t fill_tcp_data(uint8_t *buf,uint16_t pos, const char *s) { return(fill_tcp_data_len(buf,pos,(uint8_t*)s,strlen(s))); }

Собранные экземпляры:

Демонстрация работы:

В прошивке микроконтроллера предусмотрена смена IP-адреса (по умолчанию 192.168.1.99) и домена яваскрипта. Так, переход по адресу: 192.168.1.99/?i=91 изменит адрес устройства на 192.168.1.91 после перезагрузки (пользуйтесь очень аккуратно и только при острой необходимости, чтобы не потерять устройство!!! :)). Домен скрипта меняется так: 192.168.1.99/?d=mydomain.com , т.е. ваш скрипт будет подгружаться с адреса: mydomain.com/eth/script.js . Обратите внимание, что в директории eth на сервере должны лежать .

Открываете script.js и меняете описания портов под свои нужды:

Var name = "Управление портами:"; // заголовок // ниже названия портов (можно заменить на что-нибудь осмысленное) var title = ["PA0", "PA1", "PA2", "PA3", "PA4", "PA5", "PA6", "PA7", "PC0", "PC1", "PC2", "PC3", "PC4", "PC5", "PC6", "PC7", "PD4", "PD5", "PD6", "PD7"];

Например у меня так:

Var name = "«Радуга», 75 градус"; // заголовок // ниже названия портов (можно заменить на что-нибудь осмысленное) var title = ["Русский иллюзион", "24 техно", "Усадьба", "Здоровое ТВ", "Ретро", "Драйв", "Феникс+кино", "Детский", "Охота и рыбалка", "Europa Plus", "Sony Entertaiment", "Sony Sci-Fi", "Мультимания", "National Geographic", "НСТ", "не используется", "не используется", "не используется", "не используется", "WWW-СЕРВЕР"];

Для блока питания можно использовать зарядное устройство для мобильного телефона (выходное напряжение около 7 вольт). В режиме ожидания ток потребления около 120 мА. При включении одного реле ток потребления возрастает до 180 мА. Необходимо учитывать, что если будет необходимость активировать все реле одновременно (отключать все ресиверы), то и блок питания должен быть уже соответствующей мощности (как минимум 1.5 А).

Представленная статья является всего лишь демонстрацией устройства. В коммерческой версии направление этой разработки существенно расширено — портов до 150 штук, три датчика температуры и прочее, всё зависит от заказа. (Ещё один пример на 40 портов: )

Конструктивно устройство можно разместить в корпусе какого-нибудь отслужившего свой срок коммутатора в телекоммуникационную стойку 19″. Так как такого коммутатора под рукой не оказалось, то заказал в «Мобильном сервисе » вот такую коробушку от оптоволоконной вводно-распредительной системы (стоит 290 тыш без НДС):

Ethernet является одним из наиболее распространенных сетевых интерфейсов . Компания Miсrochip выпускает широкий спектр Ethernet-микросхем на все случаи жизни: микроконтроллеры, PHY, коммутаторы, мосты USB-Ethernet, контроллеры Ethernet . Практически для каждой микросхемы предлагается отладочный набор и программные средства разработки .

Ethernet является незаменимым инструментом для создания высоконадежных промышленных сетей и высокоскоростных каналов передачи данных. В данном случае слова «надежный» и «высокоскоростной» являются ключевыми. Ни один из беспроводных или проводных интерфейсов не сможет соперничать с Ethernet по этим показателям.

Если оценивать Ethernet с точки зрения стоимости реализации, то он, конечно, уступит более простым сетям, например, RS-422/RS-485. Однако для многих промышленных приложений обеспечение высокой скорости передачи данных оказывается более важным требованием.

Дальнейшее развитие Ethernet связано не только с ростом пропускной способности, но и с получением высокой временной детерминированности при передаче информации. Речь идет в первую очередь о такой технологии как EtherCAT.

К сожалению, расплатой за преимущества, которые дает Ethernet, становятся не только увеличение стоимости, но и высокая сложность реализации. Эти недостатки препятствуют массовому внедрению Ethernet в простые бюджетные устройства, которые должны стать основой Интернета вещей (IoT). Тем не менее, на рынке появляется все больше микросхем и решений, позволяющих при минимальных затратах времени и денег реализовать Ethernet-интерфейс. Например, номенклатура компании Miсrochip имеет множество Ethernet-решений: микроконтроллеры с Ethernet, микросхемы PHY, Ethernet-контроллеры, коммутаторы, законченные преобразователи интерфейсов USB-Ethernet (рисунок 1).

Многообразие компонентов и решений производства компании Microchip позволяет разработчикам очень гибко организовать Ethernet-соединение, исходя из возможностей и требований конкретного приложения, что значительно упрощает процесс разработки.

Организация Ethernet-соединения с помощью микросхем Microchip

Как известно, Ethernet работает на двух нижних уровнях модели OSI: физическом и канальном. В общем случае для реализации Ethernet потребуется стандартный набор функциональных компонентов: микроконтроллер (процессор), Ethernet-контроллер с MAC-адресом (Ethernet Controller ), микросхема PHY, Ethernet-коммутатор (Ethernet Switch ), элементы защиты (варисторы, TVS-диоды, защитные диоды), трансформатор, сетевой разъем. С помощью компонентов производства Microchip структуру Ethernet-интерфейса можно реализовать различными способами (рисунок 2).

Когда Ethernet только зарождался, уровень интеграции был достаточно скромным. По этой причине для создания Ethernet-интерфейса использовался набор отдельных микросхем (рисунок 2а). В этом случае микроконтроллер работает на верхних уровнях модели OSI и взаимодействует с Ethernet-контроллером с помощью одного из традиционных интерфейсов, например, по SPI. Ethernet-контроллер реализует канальный уровень OSI. Одна из главных его функций заключается в назначении уникального MAC-адреса устройства для работы в сети. За организацию физического канала отвечает микросхема Ethernet PHY. Она выполняет непосредственное кодирование и формирование выходных сигналов. Связь между Ethernet-контроллером и Ethernet PHY осуществляется с помощью интерфейса MII (Media Independent Interface) или его производных (RGMII/GMII и других). Если требуется на одном устройстве разместить несколько сетевых узлов, то для этих целей используется Ethernet-коммутатор.

С развитием технологических норм степень интеграции увеличивалась. Это позволяло разместить в одном корпусе не только процессорное ядро и стандартную периферию, но и «тяжелый» Ethernet-контроллер (рисунок 2б). В итоге для создания Ethernet-интерфейса требовалось подключить к такому микроконтроллеру только Ethernet PHY.

Стремление к созданию максимально простых решений привело к появлению микроконтроллеров и систем-на-кристалле (SOC), которые могут похвастаться не только встроенным Ethernet-контроллером, но и чипом Ethernet PHY (рисунок 2в). Для них подключение к сети оказывается максимально простым – остается только добавить элементы защиты и трансформатор.

В последнее время на рынке появляются и другие интересные решения. Например, компания Microchip предлагает широкий выбор различных мостовых схем USB-Ethernet (рисунок 2г). Их достоинствами являются универсальность, простота и низкая стоимость.

Компания Microchip выпускает весь спектр Ethernet-микросхем. Это дает пользователям возможность применять наиболее удобную структуру Ethernet-интерфейса, что в свою очередь значительно упрощает процесс разработки.

Обзор микроконтроллеров Microchip со встроенным Ethernet

Компания Microchip выпускает почти 200 моделей микроконтроллеров для Ethernet-приложений. Чтобы рассказать о них, потребуется не одна статья. По этой причине ограничимся кратким обзором основных семейств контроллеров с Ethernet.

Семейство PIC18 с Ethernet включает микроконтроллеры, построенные на базе 8-битного ядра с объемом Flash-памяти до 128 кбайт. Главной их особенностью является наличие встроенного Ethernet-контроллера и 10Base-T PHY, а также выделенного 8 кбайт ОЗУ для нужд Ethernet.

Сейчас семейство PIC18 с Ethernet объединяет трех представителей – , и , которые доступны в корпусных исполнениях 64/80/100 TQFP.

Производительность этих процессоров невелика – до 10,5 DMIPS. Если требуется более мощный процессор, стоит взглянуть на представителей семейства PIC32.

Таблица 3. Обзор мостов HSIC/USB-Ethernet Microchip

Среди отличительных особенностей мостов от Microchip стоит отметить наличие встроенных регуляторов напряжения, поддержку IEEE 802.3az и Wake-On-LAN.

Обзор микросхем коммутаторов Ethernet от Microchip

Microchip предлагает микросхемы коммутаторов трех групп: высокоскоростные коммутаторы Gigabit Ethernet (таблица 4), 3-портовые коммутаторы 10/100 Мбит Ethernet (таблица 5) и 4/5/7/9-портовые коммутаторы Ethernet (таблица 6). Для большинства коммутаторов все порты за исключением одного снабжены полным комплектом из MAC + PHY. Один из портов имеет только MAC, для его использования требуется внешняя микросхема PHY, которая подключается с помощью одного из стандартных интерфейсов SGMII/RGMII/GMII/RMII/MII.

Таблица 4. Обзор микросхем высокоскоростных коммутаторов Gigabit Ethernet производства Microchip

Как и в случае с остальными Ethernet-микросхемами, ключевыми достоинствами коммутаторов Microchip являются компактные размеры, малое потребление и невысокая стоимость. Некоторые коммутаторы квалифицированы в соответствии с AEC-Q100. Для ответственных промышленных приложений выпускаются микросхемы с расширенным диапазоном температур -40…105°C.

Таблица 5. Обзор 3-портовых коммутаторов Ethernet производства Microchip

Стоит отметить, что часть коммутаторов Microchip поддерживает протокол IEEE 1588 v2 Precision Time Protocol (PTP), что является обязательным условием при реализации EtherCAT.

Таблица 6. Обзор 5/7/9-портовых коммутаторов Ethernet производства Microchip

Обзор инструментов для разработки и отладки Ethernet-приложений

Создание устройств с Ethernet – сложная задача. Проблемы могут возникнуть как на этапе разработки принципиальной схемы и печатной платы, так и при написании программной части. Наиболее простым способом освоить Ethernet является использование готовых отладочных наборов и открытых программных библиотек и стеков протоколов.

Таблица 7. Отладочные платы микроконтроллеров Microchip со встроенным Ethernet

Компания Microchip предлагает огромное количество самых разнообразных отладочных наборов и оценочных плат (таблицы 7 и 8). В их число входят как оценочные платы для микроконтроллеров, например, PIC32 Ethernet Starter Kit II , так и законченные решения, например, преобразователь интерфейсов (рисунок 3).

Таблица 8. Отладочные платы для микросхем Ethernet от Microchip

Кроме аппаратных средств Microchip предоставляет пользователям доступ к бесплатным драйверам и библиотекам. С точки зрения Ethernet-приложений разработчикам будет особенно интересен открытый и бесплатный стек TCP/IP от Microchip, который поддерживает следующие протоколы:

• ARP, IP, ICMP, UDP, TCP, DHCP, SNMP, HTTP, FTP, TFTP;
• TCP и UDP;
• Secure Sockets Layer (SSL).

Данный стек протоколов является открытым. Он написан на языке С и имеет модульную структуру. По оценкам специалистов Microchip, использование стека займет всего 28…34 кбайт кода.

Если говорить о конкретных примерах использования микросхем Microchip, то в первую очередь стоит упомянуть готовые решения для EtherCAT и Интернета вещей (IoT).

Готовые решения: IoT и EtherCAT

EtherCAT представляет собой наиболее перспективную технологию прецизионного обмена данными, построенную на базе Ethernet. Для создания EtherCAT-приложений необходима поддержка протокола IEEE 1588 v2 Precision Time Protocol (PTP), который позволяет формировать временные метки, тем самым обеспечивая временную детерминированность при обмене данными, в то время как обычный Ethernet не гарантирует время доставки кадров.

Как говорилось выше, Microchip выпускает целый ряд микросхем с поддержкой IEEE 1588. Для быстрого освоения EtherCAT пользователям предлагаются специализированные отладочные наборы (таблица 9).

Таблица 9. Отладочные платы EtherCAT

Отладочный набор IoT Ethernet Kit , как следует из названия, представляет собой универсальную платформу для Интернета вещей (рисунок 4). Данное решение построено на базе производительного 32-битного контроллера с объемом Flash-памяти 2 Мбайт. Для создания Ethernet-канала используется . Готовые примеры для этой платформы находятся в открытом доступе на сайте github.com .

Заключение

Ethernet остается одним из наиболее распространенных проводных интерфейсов и является основой как для бытовых, так и для промышленных сетей. Он сочетает в себе высокую скорость передачи данных и умеренную стоимость реализации.

Компания Microchip выпускает широкий выбор микросхем для Ethernet-приложений: 8/16/32-битные микроконтроллеры, микросхемы PHY, Ethernet-контроллеры, коммутаторы, малобюджетные мосты USB-Ethernet.

Кроме самих микросхем Microchip предлагает множество разнообразных отладочных наборов и программных библиотек, в том числе – открытый стек TCP/IP. Также имеются специализированные решения для EtherCAT и IoT.

Интерес к Интернету вещей (Internet of Things, IoT) постоянно растет. Однако главным фактором, сдерживающим распространение этой технологии, остается сложность ее реализации. Это касается как аппаратной, так и программной части. Тем не менее, существует возможность обойти эти проблемы за счет использования готовых решений, таких, например, как миниатюрные веб-серверы xPico от Lantronix. Совсем недавно компания выпустила новый модуль xPico 110, который отличается от предшественника более высоким уровнем защиты данных и предполагает прямой SMD-монтаж на материнскую плату.

Рис. 1. Новый веб-сервер xPico 110 от Lantronix

Концепция «Интернета вещей» или Internet of Things (IoT) предполагает включение в состав привычных информационных сетей широкого круга различных устройств - от бытовых приборов до промышленного оборудования. Умный телевизор, умный холодильник - вот лишь ряд примеров, которые уже стали нормой для потребителей.

В настоящий момент существует только две основные причины, которые сдерживают развитие IoT: экономическая и техническая. Экономическая заключается в том, что интеграция поддержки IoT значительно повышает стоимость конечного устройства. С технической точки зрения создание «умных» устройств представляет собой сложную задачу, для решения которой потребуется группа опытных разработчиков. Рассмотрим пример разработки IoT-устройства.

Во-первых, в самом простом случае для создания IoT-устройства потребуется поддержка проводного Ethernet. Как известно, Ethernet не так-то прост в реализации, и требует разработки сложных принципиальных схем, выполнения разводки высокоскоростных линий и т. д.

Во-вторых, после создания аппаратной части необходимо обеспечить поддержку программных протоколов (TCP/IP, UDP и т. д.), а для этого потребуется написать десятки и сотни килобайт программного кода для реализации требуемых уровней сетевой модели OSI: от драйверов интерфейсных микросхем до протоколов более высоких уровней (TCP/IP, UDP и т. д.).

В-третьих, любое устройство, кроме работы в сети Ethernet, должно выполнять и свои основные функции: холодильник - хранить продукты, промышленный станок - делать детали т. д.

Все перечисленные проблемы можно обойти за счет готовых решений. В частности компания Lantronix предлагает к услугам разработчиков законченные модули веб-серверов xPico (рис. 2). Несмотря на высокий функционал, они отличаются миниатюрными размерами, сравнимыми с габаритами небольшой монеты.

Рис. 2. Веб-серверы xPico и xPico 110 от Lantronix

Суть решения от Lantronix становится понятной при рассмотрении схемы включения модулей xPico (рис. 3). С их помощью даже самый простой микроконтроллер может быть подключен к сети Ethernet, так как xPico берет на себя всю самую сложную часть реализации сетевого интерфейса, как с аппаратной, так и с программной точки зрения. За решение перечисленных задач отвечает 16-битный контроллер DSTni-EX с архитектурой x86. Он способен работать с максимальной частотой до 120 МГц и отличается солидным объемом памяти 512 кбайт FLASH, 256 кбайт ОЗУ и 384 кбайт памяти для веб-страниц. Для подключения к Ethernet потребуется только трансформатор, а программные протоколы уже интегрированы в модуль сервера. Обмен данными с управляющим микроконтроллером осуществляется с помощью обыкновенного UART со скоростью до 921 кбайт/с. Впрочем, xPico может работать и самостоятельно.

Рис. 3. Схема подключения микроконтроллера к сети Ethernet с помощью веб-серверов Lantronix

Для самостоятельной работы у модулей xPico имеется в наличии 8 портов ввода-вывода 3,3 В. Кроме того, с помощью дополнительного приемопередатчика можно реализовать простейший мост между сетью Ethernet и RS-422/485 или RS-232.

Настройка модулей xPico производится либо по сети Ethernet с помощью специального веб-менеджера (рис. 4), либо с помощью дополнительной утилиты и COM-порта компьютера. xPico поддерживают все популярные протоколы TCP/IP, UDP/IP, DHCP, ARP, ICMP, DHCP, Auto-IP, DNS, SNMPv1, TFTP и др.

Рис. 4. Окно настройки веб-сервера xPico 110 от Lantronix

Новая линейка веб-серверов xPico 110 отличается от предшественника xPico по двум пунктам:

• способом монтажа на материнскую плату;
• повышенным уровнем безопасности и защиты данных.

Начнем с более очевидного первого пункта. Модули линейки xPico предполагают подключение к материнской плате с помощью 40-контактного разъема. Для этого на материнской плате необходимо поместить ответный разъем для соединения типа плата-плата. Производители рекомендуют для этих целей использовать DF40C(2.0)-40DS-0.4V(51) от компании Hirose. Стоит отметить, что для механического крепления модулей xPico требуются дополнительные стойки. Чтобы облегчить жизнь разработчиков, Lantronix предлагает использовать специальную клипсу быстрого монтажа (рис. 5).

Рис. 5. Монтаж клипсы на модуль xPico от Lantronix

После фиксации в клипсе пользователю останется только установить полученную конструкцию на плату (рис. 6).

Рис. 6. Монтаж модуля xPico на материнскую плату

Несложно заметить, что недостатком такой конструкции является значительное увеличение габаритов. Если требуется получить «тонкое» решение, то модули xPico 110 будут более предпочтительными, так как они даже без учета клипсы оказываются в два раза тоньше, чем xPico: 3 мм вместо 5,6 мм.

Второй отличительной чертой xPico 110 является повышенный уровень безопасности. С учетом роста уровня кибер-угроз это наверняка окажется важным преимуществом новых серверов. По сравнению с предшественниками серверы xPico 110 могут похвастаться следующими новыми механизмами безопасности:

• Сертификация NISTAES (FIPS-197);
• Криптография 256/192/128-бит AES;
• Настраиваемый пароль (Telnet, Serial);
• Программное управление включением/выключением сетевого порта.

Кроме стандартного модуля xPico 110 (код заказа XPC100200B-01) к услуга разработчиков предлагается и сервер с поддержкой Modbus (код заказа XPC100200K-02).

Стоит сказать пару слов о потреблении этих миниатюрных модулей. Серверы xPico 110 требуют источника напряжения 3,3 В, а питающий ток для них составляет 240 мА при максимальной производительности (100 BaseT, 120 МГц CPU).

Чтобы создать простейшее Ethernet устройство на базе xPico или xPico 110, можно обойтись не только без знаний программирования, но и без глубоких знаний схемотехники. Для этого следует воспользоваться отладочным набором xPico Development Kit Solutions:

• XPC100100K-02 для xPico;
• XPC100200K-02 для xPico 110 (рис. 7).

Набор XPC100200K-02 включает в себя внешний сетевой блок питания с вилками-адаптерами и непосредственно отладочную плату. Плата содержит модуль xPico 110, микросхемы приемопередатчиков, разъемы, пользовательские светодиоды, джамперы и кнопки.

Рис. 7. Внешний вид отладочной платы XPC100200K-02

Так как миниатюрные модульные веб-серверы xPico и xPico 110 позволяют подключить практически любой микроконтроллер к Ethernet, то сферы применения конечных устройств могут быть самыми разными:

• удаленное управление промышленным оборудованием;
• системы сигнализации и безопасности;
• системы «Умный дом»;
• системы управления дорожным движением;
• спортивное оборудование;
• медицинские системы и т. д.

Характеристики веб-сервера xPico 110 XPC100200B-01:

• Встроенный процессор: 16-битный контроллер DSTni-EX (с архитектурой x86);
• Встроенная память: 512 кбайт FLASH и 256 кбайт ОЗУ;
• Память веб-страниц: 384 кбайт;
• Интерфейс Ethernet: 10/110 Ethernet;
• Поддерживаемые интерфейсы: TCP/IP, UDP/IP, DHCP, ARP, ICMP, DHCP, Auto-IP, DNS, SNMPv1, TFTP;
• Интерфейс с управляющим контроллером: 2 x UART со скоростью до 921 кбайт/с;
• Число портов ввода-вывода: 8;
• Напряжение питания: 3,3 В;
• Типовой ток потребления: 240 мкА;
• Диапазон рабочих температур: -40…+85°C;
• Корпус: 18,3 x 31,1 x 3,0 мм.