基于以太網(wǎng)控制的外部時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王子鵬，高 格，黃連生

（中國(guó)科學(xué)院 等離子體物理研究所，安徽 合肥　230031）

基于以太網(wǎng)控制的外部時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王子鵬，高 格，黃連生

（中國(guó)科學(xué)院 等離子體物理研究所，安徽 合肥230031）

EAST電源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的多道信號(hào)之間存在采集不同步的問(wèn)題。這是由于每個(gè)采集單元的采集卡在各自的時(shí)鐘下工作造成的。使用統(tǒng)一的外部源可以同步采集卡的時(shí)鐘以達(dá)到同步采集的目的，同時(shí)外部時(shí)鐘系統(tǒng)需要能被控制網(wǎng)通過(guò)以太網(wǎng)控制和配置。基于ATmega16單片機(jī)和ENC28J60以太網(wǎng)芯片的電路可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)控制的外部時(shí)鐘系統(tǒng)。此方案包含系統(tǒng)的電源電路的選型與設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)接口的選型與電路設(shè)計(jì)、ENC28J60驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)、時(shí)鐘信號(hào)輸出程序的設(shè)計(jì)與時(shí)鐘信號(hào)的調(diào)理。最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)試采集到的波形，表明此方案可以通過(guò)以太網(wǎng)更改配置并輸出不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，為EAST電源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供統(tǒng)一的外部時(shí)鐘。

ATmega16；ENC28J60；以太網(wǎng)；時(shí)鐘信號(hào)

EAST電源系統(tǒng)是托卡馬克裝置的核心子系統(tǒng)之一。為了對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行運(yùn)行分析和故障診斷，需要采集該系統(tǒng)包括主回路、變流器、變壓器、母線等電流和電壓在內(nèi)的200多道信號(hào)。目前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有多臺(tái)采集計(jì)算機(jī)，通過(guò)以太網(wǎng)遠(yuǎn)程控制來(lái)采集數(shù)據(jù)［1］。由于采集板卡上的晶振存在容許誤差，當(dāng)使用采集板卡的內(nèi)時(shí)鐘功能時(shí)會(huì)造成多張采集卡采集到的數(shù)據(jù)不同步的問(wèn)題［2］。采集板卡提供了外部時(shí)鐘輸入的功能?，F(xiàn)在需要設(shè)計(jì)一個(gè)外部時(shí)鐘系統(tǒng)，提供統(tǒng)一的源來(lái)同步數(shù)據(jù)采集。

基于單片機(jī)和以太網(wǎng)芯片的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)此功能并且價(jià)格低廉可擴(kuò)展性高。ATmega16單片機(jī)的比較輸出模式（CTC）可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)I/O口對(duì)工作頻率的分頻輸出。所以本文的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的以太網(wǎng)功能。

嵌入式系統(tǒng)中加入以太網(wǎng)連接目前有很多種實(shí)現(xiàn)方式，傳統(tǒng)的方案是一種多器件方案，它需要單片機(jī)與外部以太網(wǎng)控制器相結(jié)合，必要時(shí)可能還需要一些外部組件比如RAM、ROM等。這種方案雖然并不復(fù)雜，但是涉及的元器件數(shù)量眾多，增加了更多的不穩(wěn)定因素，同時(shí)驅(qū)動(dòng)全部器件需要較大的系統(tǒng)開(kāi)銷。另一種常用的方案是使用集成了以太網(wǎng)功能的單片機(jī)MC9S12NE64實(shí)現(xiàn)單個(gè)器件的以太網(wǎng)連接，也有人使用RTL8019，AX88796L，DM9008等以太網(wǎng)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的連接［3］。第二種方案與多器件方案相比，外部元器件數(shù)量大減少，節(jié)省了系統(tǒng)資源，具有較高的穩(wěn)定性。但上述以太網(wǎng)控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，封裝甚至超過(guò)80引腳，而且價(jià)格比較昂貴，從易用性和成本方面考慮不符合本文的設(shè)計(jì)需求。

本文最終采用的Atmega16單片機(jī)與ENC28J6以太網(wǎng)芯片為實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)控制的采集觸發(fā)和時(shí)鐘信號(hào)同步提供了良好的解決方案。

1　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本方案中ATmega16單片機(jī)通過(guò)ENC28J60實(shí)現(xiàn)與控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)通訊。在需要開(kāi)始采集時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)送SET命令設(shè)置本次采集所需要的采集頻率。單片機(jī)收到控制命令后通過(guò)算法計(jì)算出CTC功能寄存器的值并賦值使單片機(jī)PD5/OC1A引腳輸出所需頻率的時(shí)鐘。

1.1ENC28J60簡(jiǎn)介

ENC28J60是一款微型以太網(wǎng)控制芯片，由Microchip Techno logy（美國(guó)微芯科技公司）在2005年推出。只有28個(gè)引腳的ENC28J60不僅具備了早期器件的相應(yīng)功能，滿足設(shè)計(jì)需求，而且可靠性也大幅提高。同時(shí)，采用ENC28J60實(shí)現(xiàn)的嵌入式以太網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)具有成本低、占位小、高效易用精簡(jiǎn)的優(yōu)勢(shì)［4］。

1.2電源設(shè)計(jì)

ATmega16需要穩(wěn)定低紋波的外部直流電源供電來(lái)保證輸出精確的時(shí)鐘信號(hào)。本文中電源部分首先用變壓器將220 V交流電變?yōu)? V交流電，然后選用整流橋芯片整流，接著通過(guò)LM2576-5的穩(wěn)壓電路為電路提供5 V直流電。其中LM2576-5具有3 A的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，在規(guī)定的輸入電壓和輸出負(fù)載的條件下，LM2576-5輸出電壓的誤差范圍為±4%；振蕩器的振蕩頻率誤差范圍為±10%，滿足ATmega16的輸入要求。

電源部分原理圖如圖1所示。C1為輸入端濾波電容，C2、C3為輸出端濾波電容。C1、C2的選擇原則可按Iom×1 000 μF/A經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，即每輸出1 A電流就對(duì)應(yīng)1 000 μF的電容量，耐壓為63 V即可。續(xù)流二極管D1的選擇，正向額定電流必須大于負(fù)載電流，耐壓值必須大于輸入電壓［6］。

圖1　電源部分原理圖Fig.1　Schematic of power supply circuit

輸出端濾波電容C3的計(jì)算，按公式計(jì)算。其中ΔVo為輸出電壓紋波分量。

TVS1和TVS2穩(wěn)壓管是為了吸收浪涌，保護(hù)單片機(jī)和其他的芯片。

1.3信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

ATmega16單片機(jī)的I/O口驅(qū)動(dòng)能力為40 mA。時(shí)鐘信號(hào)如果需要發(fā)送給多個(gè)負(fù)載，可能會(huì)存在驅(qū)動(dòng)能力不足的問(wèn)題。同時(shí)時(shí)鐘信號(hào)在輸出之前需要進(jìn)行整形，保證輸出標(biāo)準(zhǔn)的波形和電壓值。TTL和CMOS反相器都具有整形和提高信號(hào)負(fù)載的能力。CMOS器件具有低功耗，工作電壓范圍寬和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。但是它的延遲時(shí)間為25～50 ns，比TTL器件的5～10 ns高出很多。TTL反相器還具有更高的負(fù)載能力和更好的傳輸特性［7］。本文最后選用TTL器件由于所要傳輸?shù)臅r(shí)鐘信號(hào)要求器件具有快速的響應(yīng)特性。

本文選用的74ls04芯片集成了6個(gè)TTL反相器。如圖2所示，采用反相器串聯(lián)的方式可以實(shí)現(xiàn)波形整形和提高負(fù)載能力的目的同時(shí)保證輸出跟輸入的波形保持一致。

1.4網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)變壓器在網(wǎng)絡(luò)接口中起到很重要的作用。從理論上來(lái)說(shuō)，不需要網(wǎng)絡(luò)變壓器RJ45也可以正常工作，但是傳輸距離會(huì)受到限制而且外部對(duì)芯片會(huì)產(chǎn)生很大的干擾。網(wǎng)絡(luò)變壓器一方面可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)信號(hào)，使傳輸距離更遠(yuǎn)，另一方面可以起到隔離作用，大大提高電路的抗干擾能力。

本文中網(wǎng)絡(luò)接口選用了HR911105A模塊，內(nèi)部原理圖如圖3所示，集成了RJ45的網(wǎng)絡(luò)插座、網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器和LED指示燈，集成度高，外圍電路成熟，同時(shí)具有信號(hào)耦合、電氣隔離、阻抗匹配、抑制干擾等作用。

圖2　反相器串聯(lián)電路Fig.2　Phase inverter in series

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)的初始化與ENC28J60驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)

該部分程序主要對(duì)單片機(jī)和ENC28J60進(jìn)行初始化配置。程序的核心是通過(guò)發(fā)送指令來(lái)初始化ENC28J60和配置它的寄存器以實(shí)現(xiàn)需要的功能，表1列出ENC28J60的SPI指令命令代碼及格式。AVR單片機(jī)通過(guò) SPI緩沖器向ENC28J60寫(xiě)入相應(yīng)格式的命令代碼，就可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的讀寫(xiě)以及其他的操作，其中PHY寄存器不能通過(guò)SPI接口直接配置，需要通過(guò)特殊功能寄存器MII完成讀寫(xiě)操作［5］。

圖3　HR911105A模塊內(nèi)部原理圖Fig.3　Schematic of HR911105A

表1　ENC28J60的SPI指令代碼及格式Tab.1 SPI instruction set for the ENC28J60

讀寫(xiě)寄存器的分為兩步，第一步為選定寄存器的BANK編號(hào)，第二步使用寫(xiě)命令或讀命令，操作指定地址的寄存器。在ENC28J60中，由ECON1中的低兩位保存BANK編號(hào)，ECON1是比較特殊的控制寄存器，4個(gè)BANK均具有該寄存器且該寄存器的地址相同［12］。

讀控制寄存器實(shí)際上就是嚴(yán)格遵守?cái)?shù)據(jù)手冊(cè)的操作要求。由于讀MAC和MII寄存器時(shí)，第一個(gè)接收到的字節(jié)為無(wú)效字節(jié)，第二個(gè)字節(jié)才為有效字節(jié)。程序通過(guò)寄存器地址的最高位來(lái)判斷是否為MAC或MII寄存器。寫(xiě)寄存器函數(shù)較為簡(jiǎn)單，第一次字節(jié)包括操作碼和寄存器地址，第二個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)。在這兩個(gè)函數(shù)中參數(shù)op為ENC28J60的指令，或稱之為操作碼，該指令占據(jù)SPI首字節(jié)的前3位，參數(shù)address為寄存器地址，參數(shù)data為寄存器的具體值［8］。

其他對(duì)ENC28J60寄存器的讀寫(xiě)操作與此類似，由于篇幅限制，不再詳細(xì)描述。

2.2時(shí)鐘信號(hào)輸出程序的編寫(xiě)

圖4　CTC模式時(shí)序圖Fig.4　CTC mode timing diagram

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)使用以太網(wǎng)調(diào)試助手進(jìn)行調(diào)試。ATmega16單片機(jī)配置為主機(jī)模式，IP設(shè)置為192.168.1.81，端口號(hào)為1200。在數(shù)據(jù)發(fā)送窗口輸入指令“SETXXXXX”，XXXXX為所需頻率，單位為100Hz。若單片機(jī)收到指令且指令正確會(huì)返回收到“配置成功”字樣。此時(shí)單片機(jī)引腳會(huì)輸出設(shè)置的頻率的高質(zhì)量時(shí)鐘信號(hào)。如需停止則發(fā)送“STOP”指令，即可暫停信號(hào)的發(fā)送。圖5調(diào)試界面，圖6為輸出的時(shí)鐘信號(hào)。

圖5　以太網(wǎng)調(diào)試助手調(diào)試Fig.5　Debug with net assist

圖6　50 kHZ時(shí)鐘信號(hào)Fig.6　50 kHZ clock signal

4　結(jié)　論

本文采用AVR單片機(jī)和ENC28J60組建了嵌入式以太網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)系統(tǒng)的以太網(wǎng)的通信。同時(shí)利用ATmega16單片機(jī)內(nèi)置的CTC功能實(shí)現(xiàn)了不同頻率時(shí)鐘信號(hào)的輸出，從而使控制系統(tǒng)可以通過(guò)以太網(wǎng)控制單片機(jī)輸出不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)。給EAST電源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多臺(tái)采集計(jì)算機(jī)的采集卡提供了統(tǒng)一的外部時(shí)鐘，同步了200多道采集通道的采集起始時(shí)刻和采集頻率，為對(duì)East實(shí)驗(yàn)進(jìn)行準(zhǔn)確的運(yùn)行分析和故障診斷提供了保障。本文的局限在于由于ATmega16單片機(jī)CTC內(nèi)部分頻寄存器為整數(shù)寄存器，無(wú)法通過(guò)單片機(jī)輸出任意頻率的信號(hào)，下一步工作擬選用更高級(jí)的單片機(jī)解決此問(wèn)題。

［1］夏登超，沈彪，楊育.基于RIA的EAST數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18（6）:1346-1348.

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Design of external clock system based on ethernet control

WANG Zi-peng，GAO Ge，HUANG Lian-sheng
（Institute of Plasma Physics，Chinese Academy of Sciences，Hefei 230031，China）

The asynchronous sampling of EAST power supply data acquisition system could be caused by the data acquisition cards working ontheir own clock.The unified external clock signal canbe used to make the sampling synchronous.Meanwhile the signal should be controlled and configured via Ethernet.Through the research found that circuit based on AVR microcontroller and ENC28J60 Ethernet chip can meet the requirement.The scheme includes the components selection and circuit design of power supply and network jack，ENC28J60 driver writing，the program design of external clock signal outputting and the waveform shaping.According to the test，every DAQ card of EAST power supply data acquisition system can work on unified clock signal which controlled by upper-computer via Ethernet with this method.

ATmega16；ENC28J60；ethernet；clock

TN79+1

A

1674－6236（2016）05-0162-04

2015-05-04稿件編號(hào)：201505020

國(guó)家“九五”重大科學(xué)工程資助項(xiàng)目--EAST超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（計(jì)投資（1998）1303號(hào)）；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目（2008GB104000）

王子鵬（1990—），男，安徽宿州人，碩士研究生。研究方向：數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)庫(kù)研究。