CH395与SPI接口的以太网模块设计※

秦磊，孙曼，王小亮

（1.四川大学电气信息学院，成都 610065；2四川大学电子信息学院）

CH395与SPI接口的以太网模块设计※

秦磊1，孙曼1，王小亮2

（1.四川大学电气信息学院，成都 610065；2四川大学电子信息学院）

伴随着物联网的高速发展，以太网已经成为很多嵌入式系统中的一个重要模块。针对很多无自带以太网模块的低成本单片机控制器，本设计采用CH395芯片连接dsPIC33系列单片机的SPI接口实现以太网模块，该方案开发难度小，占用单片机硬件资源少，是一种可靠的设计方案。

嵌入式系统；CH395；以太网

引 言

在嵌入式应用中，单片机与外部通信非常频繁，通信方式种类繁多，如SPI、I2C总线、RS-232、USB、以太网等。以太网传输速度快、传输距离远、通过连接网络设备可以轻易进行组网管理，是进行远程控制［1-2］、大规模数据采集、众多设备节点管理［3-4］非常有效的一种方式。很多单片机并无以太网协议栈硬件支持，在为这些单片机开发网络模块时，一般是通过单片机已有的通信接口外接以太网芯片来实现。本设计通过单片机中常见的SPI口外接以太网模块，实现以太网通信。

1 以太网芯片CH395

本设计采用Microchip公司的dsPIC33EP256GM710（以下简称dsPIC33E）控制器，通过SPI口外接以太网芯片CH395来实现以太网功能。dsPIC33EP256GM710是16位数字信号处理器，是一款低功耗、高性能、低成本的处理器。它有3个SPI硬件模块，其中SPI1是一个高速的SPI模块，在本设计中被采用。

CH395芯片是沁恒公司的一款以太网协议栈［5］管理芯片，被单片机系统进行以太网通信。CH395芯片自带10/100M以太网介质传输层（MAC）和物理层（PHY），完全兼容IEEE802.310/100M协议，内置了PPPOE、IP、DHCP、ARP、ICMP、IGMP、UDP、TCP等以太网协议栈固件。

单片机系统可以方便地通过CH395芯片进行网络通信。CH395支持3种通信接口：8位并口、SPI接口和异步串口。单片机/DSP/MCU/MPU等控制器可以通过上述任何一种通信接口控制CH395芯片进行以太网通信［6］。CH395与控制器的接口图1所示。

2 CH395与处理器的硬件连接

SPI是串行外设接口，是一种高速、全双工、同步的通信总线，在引脚上只占用4根线，节约了芯片的引脚。SPI同步串行接口信号线包括：SPI片选输入引脚SCS、串行时钟输入引脚SCK、串行数据输入引脚SDI、串行数据输出引脚SDO。CH395芯片的SCS引脚由单片机的SPI片选输出引脚或者普通输出引脚驱动，SCK引脚由单片机的SPI时钟输出引脚SCK驱动，SDI引脚由单片机的SPI数据输出引脚SDO或MOSI驱动，SDO引脚则连接到单片机的SPI数据输入引脚SDI或MISO。

图1 H395与控制器的接口示意图

CH395的SPI接口也支持单片机用普通I/O引脚通过软件来模拟SPI接口进行通信。CH395总是从SPI时钟SCK的上升沿输入数据，并在允许输出时从SCK的下降沿输出数据。

设计采用的是dsPIC33系列处理器中的高速专用SPI1口，它作为SPI通信的主控器件，与CH395的硬件接口如图2所示，主控器件的SDO引脚连接从器件的SDI引脚，主控器件的SDI引脚连接从器件的SDO引脚。CH395的输出INT#引脚连接处理器的一个通用I/O引脚，用来处理来自CH395的中断。

3 单片机前端程序设计［7］

图2 CH395与单片机的硬件接口图

CH395芯片的操作都是在主控SPI的CS片选信号有效的情况下进行的。单片机与CH395进行通信交互是通过操作码与数据相结合的方式进行的，首先单片机通过SPI的SDO引脚按位移出一个字节的操作码后，再输出若干字节的数据，在输出数据的同时通过SDI引脚的按位移入接收数据。CH395读写流程操作如图3所示。

图3 CH395的操作流程

要完成SPI接口向CH395传送数据，先要对dsPIC33E的SPI端口进行配置，本次设计中采用的是SPI1模块，先设置SPI1所使用的所有引脚为数字输入/输出功能，设置SCS、SDI、SCK引脚为输出，SDO为输入，因为CH395需要一个INT#用于中断处理连接控制器，所以采用一个通用I/O引脚作为INT#中断输入引脚。当SPI引脚映射好后，即可配置SPI口的功能参数，方法如下：

3.1 驱动程序的层次结构

要实现CH395的Socket功能，需要繁多的功能函数来完成，从程序开发者的角度来看，CH395的网络Socket程序可分为4个层次：应用层、中间层、数据命令层、SPI层。

（1）应用层

对中间层提供的关于网络参数设置操作进行封装，向网络透明地传送数据，用于设置网络协议，创建Socket，连接目标进程，处理网络收发中断等。该层主要由以下函数来实现：

（2）中间层

该层使用命令数据层的接口，实现网络的具体操作，向上层提供网络参数设置功能。应用层的三个主要函数通过调用下列各函数来实现：

（3）命令数据层

该层通过调用SPI硬件层接口，向CH395发送命令与数据，同时接收CH395返回的数据。主要函数如下：

（4）SPl层

它是整个程序框架的最底层，向上层提供读写时序控制，实现SPI读取数据，主要由以下函数实现：

CH395驱动程序的层次结构图略——编者注。

3.2 SPl程序的实现

要实现CH395的网络功能，单片机dsPIC33E的SPI数据传送是最为关键的，SPI数据传送接口由以下3个函数来实现：

设计中，dsPIC33E单片机作为TCP客户端来使用，其控制程序在单片机的TCP客户端应用中，应用程序直接使用CH395提供的Socket与网络设备进行网络通信。在连接网络之前，其与PC系统上的过程一致，需要初始化网卡设备（CH395），配置相应的网络参数（如本地IP、网关、子网掩码等）；在应用程序启动Socket进程之前，需要配置Socket的目的IP、端口、源端口、协议类型。配置好以上参数后，应用程序可以创建Socket连接服务器进程。CH395的网络控制处理流程如图4所示。

4 服务器端程序实现

在设计中，用PC机作为服务器端。PC的服务器程序采用MFC来设计，PC与单片机之间通过Socket进行网络连接。

在PC端上运行TCP服务器程序，使用Socket之前应该在应用程序的InitInstance（）函数中通过WSAStartup（）API函数加载Windows Sockets套接字。在程序界面上通过一个启动按键来启动服务器的监听程序并创建一个消息线程向MFC的消息路由传递用户自定义消息，并在MFC的消息宏中增加用户自定义消息处理函数ON ＿MESSAGE（WM＿RECVDATA，&CH395Dlg：：OnRecv-Data）。接收线程函数如下：

图5 CH395网络控制流程图

5 系统测试与总结

通过网线把单片机电路板与PC机相连，在PC机上运行TCP协议的服务器端程序，在单片机程序中，设置CH395芯片本地IP地址为192.168.0.5，本地端口号为6000，目的IP地址为192.168.0.10，目的端口号为5000。程序接收来自服务器端的信息字符串，并把字符串原样返回PC端。程序运行状态如图5所示。通过测试表明CH395模块成功连接上PC机。

图5 系统测试图

本次设计利用Microchip dsPIC33系列处理器与CH395模块芯片，实现了基于单片机系统的SPI口的以太网模块设计。该方案实现简单、成本低、实用性强，特别是在控制器缺少以太网协议栈硬件支持的情况下，可以节省开发周期，提高开发效率。

编者注：本文为期刊缩略版，全文见本刊网站www. mesnet.com.cn。

［1］杨瀚程，王芳，张佳杰.基于FPGA的嵌入式三台以太网设计［J］.计算机工程，2007，33（5）：139-141.

［2］王飞石，广田.基于ARM和DM9000的网卡接口设计与实现［J］.ARM开发与应用，2008，24（5）：123-125.

［3］孙晓安.基于以太网的远程监测系统研究与设计［D］.上海：华东理工大学，2011.

［4］王天杰.基于以太网的液位控制系统［D］.青岛：青岛大学，2008.

［5］以太网协议栈芯片CH395［EB/OL］.（2014-12-25）［2015 -01］.http：//wch.cn/.

［6］Stevens W.TCP/IP详解卷1协议［M］.北京：机械工业出版社，2014.

［7］钟汉如，杜青林.PIC18F66J60以太网模块的注塑机远程监控系统设计［J］.机械与电子，2009（10）：25-27.

秦磊（硕士研究生），研究方向为电工理论与新技术。

Ethernet Module Design Based on CH395 and SPl lnterface※

Qin Lei1，Sun Man1，Wang Xiaoliang2
（1.School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China；
2.College of Electronic Information，Sichuan University）

With the rapid development of the Internet of things（IoT），the Ethernet has become an important module of the embedded system.For lots of the cheap microcontrollers without Ethernet module，this paper uses the CH395chip to connect the SPI interface of the dsPIC33microcontroller to accomplish the function of the Ethernet.This design is easy，and the occupation of resources is very few，so it is a reliable design.

embedded system；CH395；Ethernet

TP368.2

A

��杨迪娜

2015-01-30）