基于嵌入式USB的以太网应用系统设计

随着USB技术的迅速发展，人们对USB的期望也越来越高。虽然USB技术在台式计算机领域的地位已经固如磐石，但是由于其以主机为中心的拓扑结构，任何一次USB的数据传输都必须由主机来发起和控制，所有的 USB设备都只能与主机建立连接。不仅如此，软件复杂性以及较高的功率要求，使得人们对嵌入式设备中使用USB的兴趣与日俱增［1］。嵌入式USB结合以太网技术可以将USB设备转换到TCP/IP,让USB 设备不再受距离限制，可以通过网络随时随地访问USB设备，可以让一个USB设备供多个用户使用，从而提高USB设备的利用率。通过使USB设备具备联网能力的设备联网服务器，可以实现联网使用USB存储、USB视频和USB打印等。本文提出了一种利用ARM7来实现嵌入式USB的方法，并结合以太网应用技术，使得通过网络可以方便地访问USB设备。

1 系统组成及工作原理

系统硬件结构如图1所示，系统采用LPC2148控制嵌入式SL811HS和ENC28J60，实现了USB设备与以太网的连接，便于USB设备的网络共享和数据的远距离传输。SL811HS主要实现USB HOST的功能，它能够识别USB设备，并能够对该设备进行读写操作。ENC28J60主要完成系统的网络通信，实现对系统USB设备的远程访问。

2 系统模块设计［2-3］

LPC2148是一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-STM CPU的微控制器，并带有512KB嵌入的高速片内Flash存储器。片内128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大的时钟频率下运行。对代码规模有严格控制的应用可以使用16位Thumb模式将代码降低超过30%，而牺牲的性能却很小。LPC2148具有较小的64脚封装，最多可以使用46个GPIO。其极低的功耗、多个32位定时器、多路10位ADC、1路DAC以及丰富的接口使其特别适合于工业控制、医疗系统、访问控制嵌入式MODEM等各种类型的应用。选用LPC2148的原因是它片内集成了Flash、RAM、SPI接口，使得外围电路简单，性价比高。

ENC28J60是美国微芯科技公司于2005年推出的全球首枚28引脚独立以太网控制器，可为嵌入式应用提供低引脚数、低成本且高效易用的远程通信解决方案。此外，ENC28J60以太网控制器采用业界标准的SPI串行接口，只需很少的连线即可与主控芯片机连接，使如图2所示。其中的CS和RESET接到主控芯片是为了使软件设计更灵活。

SL811HS是Cypress公司设计的嵌入式USB主机设备控制器，在嵌入式系统中应用很广泛，能通过软件控制选择主从方式，支持低速和全速传输并自动检测低速或全速设备，通过A0区分地址和数据，并支持地址自增模式。SL811HS与主控芯片的接口电路如图3所示。

3 软件设计

系统软件主要由嵌入式TCP/IP程序和嵌入式USB两个部分组成。系统程序通过收到的以太网数据包的类型来进行相应的处理，完成特定的功能。例如通过以太网远程登陆的方式浏览和修改本地数据，达到本地数据网络共享的目的。

3.1 嵌入式TCP/IP实现

嵌入式TCP/IP实现包括以太网控制器ENC28J60底层驱动、TCP/IP协议。ENC28J60 可与许多主控制器上的SPI接口直接相连。此器件只支持SPI 的0,0模式。另外，SPI 端口要求SCK 在空闲状态时为低电平，不支持时钟极性选择。在SCK 的每个上升沿移入数据，命令和数据通过SI 引脚送入器件。 ENC28J60在SCK的下降沿从SO引脚输出数据。当执行操作时CS 引脚必须保持低电平，当操作完成时返回高电平［4］。

3.1.1ENC28J60底层驱动

在使用ENC28J60发送和接收数据包前，必须对器件进行初始化设置。根据应用的不同，一些配置选项可能需要更改。通常初始化任务会在复位之后立即完成，并且不再需要更改。初始化任务主要包括：（1）初始化接收缓冲器：在接收数据包前，必须编程ERXST和ERXND指针来对接收缓冲器进行初始化。ERXST与ERXND之间的存储空间专供接收硬件使用。（2）初始化发送缓冲器：所有未被用作接收缓冲器的存储空间都将作为发送缓冲器，故不需要专门对发送缓冲器进行专门的初始化。（3）等待OST：如果在上电复位后立即进行初始化，应查询ESTAT.CLKRDY位，确保在开始修改MAC和PHY寄存器前已经经过足够长的时间。（4）PHY初始化：PHY寄存器不能通过SPI控制接口直接访问，而是通过一组带有MIIM的特殊MAC控制寄存器来完成的。程序中在配置LED时用到了PHY写函数。写PHY寄存器时，先将PHY寄存器的地址写入MIREGADR，然后将要写入高低8位的内容分别写入MIWRH、MIWRL即可。

发送数据包时，ENC28J60会自动生成前导符和帧起始定界符。此外MAC还可以根据配置自动生成填充和CRC字段。主控制器