Опубліковано 04.11.2011

Отдельно работающее устройство на микроконтроллере становится более полезным, если с него можно получить интересующую нас информацию. Для этого мы подключали .

Однако, зависимость от компьютера – это не всегда хорошо. Иногда требуется создать автономное сетевое устройство со своим сетевым адресом и, желательно, с уже ставшим привычным, Web-интерфейсом. Этим мы и займемся.

Я начинал с реализации схемы, опубликованной в этой статье:
http://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=55059
http://www.radiolocman.com/shem/schematics.html?di=55059

Все оказалось не так сложно, как может показаться на первый взгляд. Мое первое устройство для удаленного отключения/включения питания через web интерфейс.

Как видите, ENC28J60 упрощает схему подключения микроконтроллера с компьютерной сети до простейшей.

После того, как компания Microchip выпустила микросхему Ehernet интерфейса ENC28J60 , имеющую SPI интерфейс, подключения микроконтроллера в компьютерную сеть стала довольно простой задачей. Подключенный к сети микроконтроллер становится сетевым устройством и доступ к нему может быть организован по локальной сети, интернет, беспроводным сетям. В общем, открываются очень радужные перспективы.

Итак, микросхема Ethernet интерфейса ENC28J60 включает протокол приема/передачи данных, MAC адрес, и протокол физического уровня в одном чипе. Микросхема имеет 28 ног.
Требует подключение всего нескольких внешних элементов. Кварц, Ethernet трансформатор, Ethernet-разъем, несколько конденсаторов и резисторов, пару светодиодов. Вот схема подключения к микроконтроллеру Atmega88 /Atmega168 .

Обращаю внимание, что все схемы и софт распространяются по лицензии GPL2. Т.е. общедоступны, и если Вы использовали что либо из софта, то свой софт Вы обязаны опубликовать и сделать общедоступным.

Микросхема Ehernet интерфейса ENC28J60 греется. Причем в SMD корпусе чуть больше, чем DIP. Вероятнее всего, это субъективное ощущение, но я в конце концов, перешел на DIP корпуса. Что касается Ehernet трансформаторов, сразу я выпаивал их из старых сетевых карточек. Мне ни разу не попадалось два одинаковых трансформатора. Отдельно их купить в Украине нереально. Утомившись каждый раз по новому разводить плату, я перешел на разъем со встроенным трансформатором и светодиодами. Цена немного кусается, но зато на плате сразу освобождается место, да и внешний вид устройства становится значительно симпатичнее.

ENC28J60 подключал к Atmega88 , ATMEga168 , ATMEga32 . Питание всей схемы 3.3В. Собственно, по железу все, ничего сложного. Проблем с запуском ни разу не испытывал. Все работало сразу и без вопросов.

Исходный пример для работы с ENC28J60 на CGG (WinAVR ) можно скачать в указанной выше статье. Я же расскажу о том, что получилось у меня в конечном итоге. Все основано на этом же примере и распространяется по лицензии GPL2.

Создавался как устройство для контроля климатических условий в серверных помещениях. Но его можно применять везде, где требуется удаленный контроль и управление. Например, дома или на даче, в качестве устройства для удаленного контроля поливом, вентиляцией, и т.п. Чуть позже я расскажу, как на базе была создана метеостанция, работающая в сети интернет. Задача контролировать состояние датчиков (аналоговых, дискретных, датчиков температуры), предоставлять Web интерфейс для контроля и управления, с заданной периодичностью отправлять данные на сервер. Отправлять сообщения для предотвращения аварийных ситуаций.

Характеристики Устройства:
– 3 цифровых датчика DS18B20
– 2 аналоговых входа (0…3,3В)
– 4 дискретных входа
– два дискретных выхода (управляются программно (настраивается через Web-интерфейс) или вручную)
– web-интерфейс, позволяющий настроить все параметры устройства, в том числе сетевые, и алгоритм срабатывания на разные состояния датчиков.
– отправка данных демону Syslog на указанный сервер через указанный промежуток времени
– отправка сообщений по UDP протоколу на указанный сервер в случае превышения критических показаний датчиков (настраивается через Web-интерфейс).

Схема

Внимание! В схеме используется микросхема Atmega32A или Atmega32L . Atmega32 не подойдет по напряжению питания.

Печатная плата двусторонняя сторона 1:

сторона 2:

Фьюзами нужно установить тактирование от внешнего источника и отключить JTAG. Все остальные по умолчанию.

Описание работы

Краткое описание NETAlarm

– устройство для отслеживания состояния различных датчиков и передачи данных по компьютерным сетям. Специализирован для контроля за климатической обстановкой в помещениях. Имеет Web-интерфейс для настройки и отслеживания состояния. Позволяет в случае аварийных ситуаций организовать уведомление серверов. Отправляет данные по протоколу Syslog через определенный промежуток времени. Позволяет подключить через два дискретных выхода внешние устройства и управлять ими по заданному алгоритму.

Характеристики и возможности

• – до 3 цифровых датчиков температуры DS18B20 с интервалом измеряемых температур от -55 до +125 0C.
• – 2 аналоговых входа 0…3,3В. Внутренний АЦП обеспечивает 10 разрядное преобразование.
• – 4 дискретных входа (внутренняя подтяжка к логической 1)
• – 2 дискретных выхода с нагрузочной способностью 10 мА
• – отправка состояния датчиков на указанный сервер по протоколу Syslog
• – отправка уведомления списку серверов или одному из списка, при наступлении указанного условия
• – возможность управления выходами и отправкой данных по указанной логической схеме
• – web-интерфейс для управления и получения данных

Требования к питанию и окружающей среде

Питание прибора осуществляется от внешнего стабилизированного источника питания +5В, 500mA. Прибор рассчитан на работу при температуре 0…85 0С. При относительно влажности до 90% в неагрессивной среде. Не рассчитан на прямое попадание воды и ВЧ излучений.

Подключение и установка датчиков

Позволяет подключить до 6 внешних датчиков помимо 3 датчиков температуры DS18B20. Для этого применяются клеммы.

На клеммы также выведено стабилизированное питание +5В от источника питания.

Подключение дополнительных датчиков температуры

Общее количество датчиков температуры DS18B20 не должно превышать трех. Датчики подключаются параллельно друг другу. Никаких других элементов не требуется. Длина провода не более 3 метров.

Подключение аналоговых датчиков

Подключаемый аналоговый датчик должен выдавать напряжение в пределах 0…3,3В. В противном случае, необходимо обеспечить согласование сигналов. При этом вся защита от возможного перенапряжения должна ложиться на схему согласования. Прибор имеет 10 разрядный АЦП. Уровень измеренного сигнала отображается в числовом выражении от 0 до 1023. Пересчет в милливольты и другие величины прибор не выполняет.

Подключение дискретных датчиков

Подключаемые датчики могут быть как контактными (герконы, переключатели, кнопки) так и электронными ключами (цифровые датчики Холла, датчики, имеющие на выходе транзистор с открытым коллектором) Подключение датчика выполняется между нужным входом и “GND”. Вход контроллера “подтягивается” к логической 1 через внутренний резистор 10…60 кОм. Поэтому, при разомкнутом датчике на входе будет 1. При замыкании датчика на входе 0. Использование схемы для предотвращения дребезжания контактов при замыкании/размыкании необязательна. Если существует возможность попадания в цепь датчика напряжения, превышающего 3,3В, необходимо реализовать схему защиты входов от перенапряжения.

Подключение исполнительных устройств

Номинальная нагрузочная способность выходов OUT9, OUT10 10 мА (максимальная 20 мА). Используя внешние исполнительные устройства, можно реализовать управление сильноточной нагрузкой (вентиляцией, кондиционером, насосом, генератором и т.п.)

Настройка NETAlarm через web-интерфейс

Вход на страницу управления выполняется по ссылке следующего вида: http://IP-адрес /пароль

Http://192.168.114.20/whfynl

Если выполняется первичная настройка устройства, IP-адрес и пароль, заданный производителем можно узнать на наклейке корпуса .
После удачного входа, первой откроется страница состояния датчиков. Используя меню, перемещайтесь по закладкам.

Сетевые настройки

В закладке “Settings” выполняются основные сетевые настройки. А именно настройка MAC-адреса, IP-адреса, маски подсети, адрес шлюза, пароль доступа.

Настройки заголовков

В закладке “Titles” можно установить короткие текстовые подписи длинной до 20 символов к входам . Эти подписи отображаются на страницах состояния датчиков.

Настройки лог-сервера

Настройка списка “Alarm”

В закладке “Alarm List” указывается список IP-адресов серверов и портов, сообщений, которые будут отправлять серверам при условиях, указанных в следующей закладке “Events”. При этом несколько строк могут содержать одну и ту же комбинацию IP-адреса и порта, но с разными сообщениями. Сообщения отправятся, если будет включено поле ‘Enable/Disable’.

Настройка списка “Events”

В закладке “”Events” настраивается логическая таблица работы . В каждой строке указывается:

• – опрашиваемый датчик
• – условие сравнения (> = <)
• – значение для сравнения
• – действие, которое необходимо выполнить при выполнении условия в течение времени, указанного в поле ‘Delay time ‘
• – поле ‘Delay time ‘ задающее время, в течении которого должно выполняться условие прежде чем указанное действие будет выполнено. Задается в секундах. Если установлен 0 – немедленное выполнение.
• – поле Enable/Disable Для включения/отключения обработки строки.

Прибор проверяет таблицу условий 10 раз в секунду, проходя последовательно по таблице, начиная со строки 0 до строки 9. Проверка условий выполняется только для строк, у которых включено поле Enable/Disable .
При выполнении условия в течении указанного периода выполняется указанное действие. В списке действий имеется проверка другого условия, что позволяет реализовать операцию логического “И “. При этом желательно указывать строки с отключенным полем Enable/Disable . В этом случае условие будет проверено, но будет проигнорировано в основном цикле проверке.

Если Вам, вдруг, захочется “зациклить” проверку условий, Вы сможете это сделать, но прибор работать правильно не будет.

Подробное описание полей:

Первое поле содержит список датчиков :

• T0 – цифровой датчик температуры #1
• T1 – цифровой датчик температуры #2
• T2 – цифровой датчик температуры #3
• A3 – аналоговый вход #1
• A4 – аналоговый вход #2
• IN5 – дискретный вход #1
• IN6 – дискретный вход #2
• IN7 – дискретный вход #3
• IN8 – дискретный вход #4
• OUT9 – дискретный выход #1
• OUT10 – дискретный выход #2

Как видно, в условиях может использоваться проверка состояния выходов.

Условие сравнения :

• > – если значение датчика превышает указанное в поле ‘Value’ значение
• = – если значение датчика равно указанному в поле ‘Value’ значению
• < – если значение датчика меньше указанного в поле ‘Value’ значения

В Поле ‘Value’ можно указывать целые числа в диапазоне от -9999 до 32767

Поле ‘What to do’

• On OUT9 -включить OUT9
• On OUT10 -включить OUT10
• Off OUT9 -выключить OUT9
• Off OUT10 -выключить OUT10
• Send to Log -отправить состояние датчиков серверу, указанному в закладке “Log-Server”
• Send Alarm#0..#9 -отправить сообщения всем со списка
• Send Alarm#0 -отправить сообщение серверу, указанному в строке #0 из списка ‘Alarm List’
• Send Alarm#1 -отправить сообщение серверу, указанному в строке #1 из списка ‘Alarm List’
• Send Alarm#2 -отправить сообщение серверу, указанному в строке #2 из списка ‘Alarm List’
• Send Alarm#3 -отправить сообщение серверу, указанному в строке #3 из списка ‘Alarm List’
• Send Alarm#4 -отправить сообщение серверу, указанному в строке #4 из списка ‘Alarm List’
• Send Alarm#5 -отправить сообщение серверу, указанному в строке #5 из списка ‘Alarm List’
• Send Alarm#6 -отправить сообщение серверу, указанному в строке #6 из списка ‘Alarm List’
• Send Alarm#7 -отправить сообщение серверу, указанному в строке #7 из списка ‘Alarm List’
• Send Alarm#8 -отправить сообщение серверу, указанному в строке #8 из списка ‘Alarm List’
• Send Alarm#9 -отправить сообщение серверу, указанному в строке #9 из списка ‘Alarm List’
• Event#0 -проверить условие в строке #0
• Event#1 -проверить условие в строке #1
• Event#2 -проверить условие в строке #2
• Event#3 -проверить условие в строке #3
• Event#4 -проверить условие в строке #4
• Event#5 -проверить условие в строке #5
• Event#6 -проверить условие в строке #6
• Event#7 -проверить условие в строке #7
• Event#8 -проверить условие в строке #8
• Event#9 -проверить условие в строке #9

Поле ‘Delay time’

В этом поле следует указывать период в секундах, на протяжении которого условие должно выполняться, прежде, чем будет выполнено указанное действие.
Технически возможно указать значения в диапазоне от -9999 до 32767. Но отрицательные значения, лишенные логического смысла, лишат логики всего, что вы делаете.

Поле ‘Enable/Disable’

Если Вы хотите, чтобы условие проверялось, установите это поле. Если условие используется как подчиненное в цепочке логического “И”, и Вам не нужно чтобы эту условие работало как самостоятельное, не устанавливайте это поле.

Пример #1:

Задача:

При превышении температуры 27 градусов на протяжении 1 минуты включать вентиляцию.
Если температура превышает 30 градусов на протяжении 30 сек, рассылать сообщения всем серверам.
Выключать вентиляцию при температуре ниже 25 градусов

Решение:

0	T0	>	27	On OUT9	60
1	T0	>	30	Send Alarm#0..#9	30
2	T0	<	25	Off OUT9	0

Пример #2:

Задача:

Регистрировать момент открытия/закрытия двери серверной (датчик IN5)

Решение:

0	IN5	=	0	Send to Log	0
1	IN5	=	1	Send to Log	0

Пример #3:

Задача:

Отправлять сообщение серверам, если дверь в серверную (датчик IN5) закрыта более часа, вентилятор включен (Выход OUT9) более 30 минут, а температура превышает значение 30 градусов в течении 30 секунд.
При наличии воды на полу (датчик IN6) более 5 секунд отправлять сообщения.

Решение:

0	IN5	=	1	Event#1	3600
1	OUT9	=	1	Event#2	1800
2	T0	>	30	Send Alarm#0..#9	30
3	IN6	=	0	Send Alarm#0..#9	5

Настройка прибора через последовательный порт

Этот способ предназначен для возвращения контроля над устройством, если его основные параметры (IP-адрес, пароль доступа) безвозвратно утеряны и не представляется возможным их восстановить.

!ВАЖНО! Кабель последовательного интерфейса в комплект не входит. Для изменения настроек по последовательному порту нужно выполнить следующие действия:

• открыть крышку прибора
• подключить кабель последовательного интерфейса к разъему USART
• подключить кабель к компьютеру
• включить прибор
• запустить терминальную программу (например HyperTerminal) и подключиться к по соответствующему COM порту

В таком варианте подключения имеет ограниченный набор команд:

• AT – проверка связи, в случае успеха, возвращает ‘OK’
• CONFIG – выводит на дисплей текущую конфигурацию в сжатом виде
• SETMAC – устанавливает MAC-адрес. Пример:

  SETMAC 88-255-114-17-50-117

  Обратите внимание! MAC-адрес указывается в десятичном формате

• SETIP – устанавливает IP-адрес.

  SETIP 192.168.0.1

• SETPWD – устанавливает пароль.

  SETPWD qwerty

  Пароль может содержать латинские буквы и цифры. Использование других символов крайне не рекомендуется.

• HELP – выводит подсказку по командам.

Страницы состояния датчиков

Кроме страницы состояния в главном web-интерфейсе, предоставляет дополнительные страницы, где можно получить состояние датчиков.

С описание входов: http:///status

http://192.168.114.20/status

Сокращенная информация: http:///stat

http://192.168.114.20/stat

Эти данные могут быть получены и обработаны любым ПО с любой операционной системы, что расширяет сферу использования .

Настройка Syslog на FreeBSD

Для настройки syslog необходимо в файл syslog.conf добавить строку

Local0.info /var/log/climate.log

где /var/log/climate.log – файл, в который будут записываться данные .

Пример файла syslog.conf :

# $FreeBSD: src/etc/syslog.conf,v 1.28 2005/03/12 12:31:16 glebius Exp $ # # Spaces ARE valid field separators in this file. However, # other *nix-like systems still insist on using tabs as field # separators. If you are sharing this file between systems, you # may want to use only tabs as field separators here. # Consult the syslog.conf(5) manpage. *.err;kern.warning;auth.notice;mail.crit /dev/console *.notice;authpriv.none;kern.debug;lpr.info;mail.crit;news.err /var/log/messages security.* /var/log/security auth.info;authpriv.info /var/log/auth.log mail.info /var/log/maillog lpr.info /var/log/lpd-errs ftp.info /var/log/xferlog cron.* /var/log/cron local0.info /var/log/climate.log *.=debug /var/log/debug.log *.emerg * # uncomment this to log all writes to /dev/console to /var/log/console.log #console.info /var/log/console.log # uncomment this to enable logging of all log messages to /var/log/all.log # touch /var/log/all.log and chmod it to mode 600 before it will work *.* /var/log/all.log # uncomment this to enable logging to a remote loghost named loghost #*.* @10.20.27.111 # uncomment these if you"re running inn # news.crit /var/log/news/news.crit # news.err /var/log/news/news.err # news.notice /var/log/news/news.notice !mpd *.* /var/log/mpd.log !startslip *.* /var/log/slip.log !ppp *.* /var/log/ppp.log

В rc.conf устанавливаем флаг syslog, и указываем от кого ему можно принимать данные. Пример:

syslogd_flags= “-a 192.168.114.20/32:*”

Настройка FreeBSD для приема и обработки сообщений

Предположим, отправка сообщений будет выполняться на порт 773. Смотрим в файле /etc/services 773/ud p – это notify

В файле inetd.conf добавляем строку

Notify dgram udp wait root /root/scripts/alarm.sh alarm.sh

/root/scripts/alarm.sh – это скрипт, который будет принимать, и обрабатывать полученное сообщение.

Пример скрипта:

#!/usr/local/bin/bash #LOG="/var/log/alarm.log" LOG=`mktemp /tmp/alarm.XXXXXX` || exit 1 MY_IP_AND_PORT="192.168.144.1 773" SECRET_STRING="balar" WAIT_CNT=3 # get modify time of log LOG_MODIFY=`stat -f "%m" ${LOG}` /usr/bin/nc -l -u ${MY_IP_AND_PORT} > ${LOG} & BG_PID=$! while [ $WAIT_CNT -gt 0 ]; do sleep 1 LOG_MODIFY_CUR=`stat -f "%m" ${LOG}` if [ $LOG_MODIFY -eq $LOG_MODIFY_CUR ]; then WAIT_CNT=$((WAIT_CNT-1)) else WAIT_CNT=0 fi done kill $BG_PID # bug fix BEGIN read -t 1 sss # bug fix END MSG=`cat ${LOG}` if [ $MSG=$SECRET_STRING ]; then echo ALARM! SHUTDOWN! | mail -s ALARM [email protected] logger AHTUNG! SHUTDOWN else logger GADI PITALIS POTUSHIT SERVER fi unlink ${LOG} exit 0

ВНИМАНИЕ! На разных версиях операционных систем скрипт может не работать как следует или не работать вовсе. Придется применить свое умение.

Настройка MRTG для построения графиков температуры

Создаем скрипт /usr/local/etc/periodic/daily/climate.sh Следующего содержания:

#!/bin/sh read=`cut -f 4 -d: /var/log/climate.log | tail -1` write=${read} echo ${read} echo ${write} echo 0 echo items

где /var/log/climate.log – файл, в который принимаются данные от .

В файле /usr/local/etc/mrtg/mrtg.cfg добавляем следующие строки:

Target:`/usr/local/etc/mrtg_scripts/climate.sh` Options: nopercent,growright,gauge,noinfo Title: Temperature PageTop:

Temperature

MaxBytes: 10000 YLegend: temperature, ^oC ShortLegend: items LegendI: Temperature: LegendO: Temperature: Legend1: temperature, ^oC Legend2: temperature, ^oC

Установка и настройка сервиса для обработки сообщений на Windows серверах

Для приема сообщений серверами под управлением Windows систем создан специальный сервис .exe . Установить как сервис командой:

Exe -install

Проверьте, служба Net Alarm должна появиться в списке сервисов.

Udpport=773 fromip=192.168.114.20 string=alarm todo="C:\Atmel_Projects\AVRWeb\WinUDPServer\WinService\1.bat"

• udpport=773 – порт на котором служба будет принимать сообщения
• fromip=192.168.114.20 – адрес от куда принимать сообщения, другие адреса будут игнорироваться
• string=alarm – текст сообщения, после приема которого нужно выполнить команду
• todo=”C:\NETAlarm\alarm.bat” – команда, которая выполняется после получения сообщения

На той же основе была создана метеостанция для работы в интернет.

Принцип тот же, что и . Добавлены:
– датчик давления HP02
– “тахометр” для измерения скорости ветра
– работа с 4 битным энкодером для определения направления ветра
– отправка данных на сервер по http протоколу
– вывод данных в XML формате

Со схемой и прошивкой метеостанции познакомлю Вас немного позже.

Ethernet («эзернет», «эфирная сеть», отлат. «aether» - эфир) - одна из самых популярных в настоящее время сетевых архитектур. Она использует узкополосную передачу данных со скоростью 10… 100 Мбит/с на «компьютерных» кабелях UTP/FTP. Основной топологией является «звезда» с возможностью каскадирования сети хабами. Расстояние единичных пролётов до 100 м, число узлов до 1024.

Технология Ethernet была разработана в 1970-х годах в исследовательском центре PARC фирмы Xerox. В 1980 г. опубликован первый официальный стандарт.

На сегодняшний день обеспечиваются следующие скорости передачи данных: 10 Мбит/с (Ethernet), 100 Мбит/с (Fast Ethernet), 1…100 Гбит/с (Gigabit Ethernet), в перспективе 1 Тбит/с (Terabit Ethernet). Чтобы легче было ориентироваться, вводят сокращённые названия, например, 10BaseT, где число «10» обозначает скорость передачи данных 10 Мбит/с, «Base» - немодулированный сигнал, T - две витые пары в кабеле. Для универсальных двухскоростных интерфейсов применяют надписи через дробь подобно 10/100BASE-T.

Логическая структура сигналов Ethernet достаточно сложная, поэтому для сопряжения компьютера с MK обычно ставят буферные специализированные контроллеры, например, Microchip ENC28J60, Realtek RTL8019AS, Crystal Semiconductor CS8900A, Silicon Laboratories CP220x или даже отдельную микросборку WIZnet W5100. Все они обеспечивают упаковку/распаковку данных на максимальной скорости 10 Мбит/с, которая является крейсерской для MK общего применения. Общение MK с контроллером Ethemet осуществляется через программно доступные регистры, определяющие тот или иной режим работы.

На физическом уровне для связи с компьютером используется стандартный четырёхжильный сетевой кабель. Гальваническая развязка производится через импульсные трансформаторы, причём часто они совмещаются с экранированным разъёмом RJ-45 и двумя светодиодами (Рис. 4.16). Коэффициент трансформации на приёме обычно составляет 1:1, на передаче 1:1 или 1:1.25. Цепь GND соединяется с металлическим экраном. Элементы R1…R4, C1 могут отстутствовать.

Рис. 4.16. Схема блока трансформаторов Ethemet с разъёмом XS1 RJ-45.

На основе связки «МК + контроллер Ethernet» (Рис. 4.17, а…д) делают не только локальные сети, но и веб-серверы с генераторами html-страниц. Это позволяет осуществлять дистанционное управление и контроль за состоянием датчиков из любой точки Земного шара, охваченной сетью Интернет.

Рис. 4.17. Схемы подключения компьютера через интерфейс Ethernet к MK (начало):

а) подключение Ethemet-модуля через интерфейс SPI к MK;

б) MK имеет встроенный контроллер Ethernet, тактируемый частотой 25 МГц. Резисторы RI, R2 ограничивают ток через светодиоды, находящиеся в блоке трансформаторов;

в) контроллер Ethernet DD1 (фирма Microchip) хранит данные в микросхеме памяти DS1\

Рис. 4.17. Схемы подключения компьютера через интерфейс USB к MK (окончание):

г) MK и микросхема контролера Ethernet DD2 (фирма Microchip) запитываются от разных напряжений. По входам согласование уровней не требуется, а по выходам оно производится через буферные повторители, входящие в состав микросхемы DD1. В блоке трансформаторовЛ/ отсутствуют индикаторы, поэтому применяются внешние светодиоды HL1, HL2\

д) аналогично Рис. 4.17, а, но без внешней микросхемы памяти.

Предположим, у нас возникла необходимость в создании устройства с возможностью подключения к сети Ethernet. Вариантов имеется довольно много, но все их можно условно разделить на 3 вида.

Преобразователь RS-232-Ethernet, обычно представляющий собой виртуальный COM-порт, преобразующий поток данных RS-232 в IP-пакеты на одном конце, и неким устройством, которое занимается приёмом и раскодированием этих пакетов, и отдающее контроллеру в виде RS-232 на другом конце. Пример подобного устройства: Tibbo EM100. Достоинства такого решения-простота программирования. Не нужно вникать в тонкости протоколов, подключаемое устройство может вообще быть не в курсе, что данные ему приходят не напрямую с последовательного порта, а, например, из Интернета. Недостатки у такого решения тоже имеются-не получится использовать протоколы более высоких уровней, такие, как SNMP, HTTP и прочие, т.е. о WEB-интерфейсе, к примеру, можно забыть.

Некое продвинутое устройство, «чёрный ящик», который обладает своим процессором, памятью, стеком протоколов, сам занимается обработкой Ethernet-пакетов, и наружу отдаёт опять же RS-232 или SPI. Примеры таких решений: Lantronix XPort, представляющий собой законченный ультракомпактный встраиваемый сервер размером чуть больше разъёма RG-45:

Микросхема WIZNET W5100, и основанный на ней Arduino Ethernet Shield:

Тут у разработчика уже больше свободы, например, можно поднять на этом контроллере WEB-сервер или Telnet, и через них управлять встраиваемым устройством. Из недостатков можно отметить невысокую гибкость (можно использовать только те протоколы, которые заложили разработчики) и высокую стоимость, зачастую превышающую стоимость управляемого устройства.

Взять контроль в свои руки, подключив к своему любимому контроллеру драйвер физического уровня (PHY), такой как микросхема ENC28J60 стандарта 10 Base-T, или микросхема ENC624J600 стандарта 10/100 Base-T от всё той-же фирмы Microchip, или же взять контроллер семейства PIC18FXXJXX со встроенным PHY, и программно реализовать все необходимые протоколы. Стек протоколов можно написать самому (не слишком тривиальная задача), или воспользоваться уже готовым стеком (существует довольно большой выбор TCP стеков для микроконтроллеров различных производителей разной степени бесплатности и качества). В этой статье будет представлен краткий обзор TCP стека фирмы Microchip, предназначенный для применения на микроконтроллерах этой фирмы.

Итак, путь ясен, время определиться с инструментами.

Нам понадобятся:

Один из поддерживаемых этих стеком контроллеров. Если будем использовать внешнюю микросхему PHY, то практически любой МК производства Microchip, семейств PIC18 (8бит), PIC24 (16бит), и PIC32 (32бит). Если хотим обойтись без внешнего PHY, берём что-нибудь из семейства PIC18F67J60.

TCP/IP стек Microchip. Cтек входит в состав Microchip Application Libraries (далее MAL). Библиотека бесплатная, поддерживает довольно широкий ряд контроллеров Microchip, и помимо TCP стека содержит так-же стек USB, библиотеку для работы с тач-скринами, смарт-картами и т.п. Последнюю версию библиотеки можно взять .

Среда разработки. Бесплатные MPLab 8 (слегка устаревшая, но проверенная годами), или MPLab-X (вышедшая с Beta-стадии пару месяцев назад, основанная на Netbeans, перспективная, но пока не слишком стабильная среда разработки).

Компилятор. Официально поддерживаются C18, C30, и C32. Ознакомительную 60-и дневную версию можно скачать с сайта . Через 60 дней ознакомительная версия остаётся функциональной, но выключает режим оптимизации, в связи с чем код может потребовать больше места в ROM.

Программатор и (или) внутрисхемный отладчик. Рекомендую ICD3 или PICKIT3 (ICD2 тоже работает, но не поддерживается средой Mplab-X, и более медленная).

Вместо пайки своей платы, можно воспользоваться одним из многочисленных отладочных комплектов, производства фирмы Microchip (которые всем хороши, кроме своей цены и трудностью покупки в России):

• PIC18 Explorer с дочерней платой PICTail
• Explorer 16 c дочерней платой PICTail+
• PIC32 Starter Kit с платой расширения IO Expansion Board и PICTail+ (в этом случае не понадобится внешний отладчик, т.к. в PIC32 Starter Kit он уже встроен)

Существуют и альтернативные решения от фирм Olimex (ENC28J60-H) и «Тритон» (TRT-Ethernet).

Если мы решили сразу делать свою плату:

Можно задействовать как контроллер со встроенным PHY (PIC18F87J60)

Либо контроллер с внешним PHY (ENC28J60), подключенным по шине SPI (например, ENC28J60):

Из внешней обвязки понадобится только трансформатор (например, PULSE H1012), разъём RJ-45 (существуют разъёмы RJ-45 сразу со встроенным трансформатором и светодиодами), да десяток резисторов. Для тактирования контроллера обязателен кварц на 25 МГц (при этом внутренняя частота МК может быть поднята до 40МГц при помощи PLL).
Обратите внимание, что во внешнем PHY контроллере ENC624J600 уже содержится прошитый MAC-адрес, тогда как в ENC28J60 и PIC18F87J60 его нет, и нужно либо использовать покупную микросхему, содержащую MAC, либо устанавливать его програмно.

Так же на этом этапе надо определиться, где будут храниться файлы для WEB-сервера и SNMP mib-ы. Вариантов несколько: или непосредственно в памяти программ контроллера (а при среднем размере стека с набором необходимых модулей ~33кб и контроллером с внутренней ROM 128кб мы получим ~95кб места для файлов), или использовать внешнюю микросхему EEPROM (стек поддерживает 25LC1024), FLASH (серия SST25), SD-карту или даже USB-диск (понадобится PIC32 с USB на борту).

Итак, с «железом» определились, посмотрим теперь, что же может предложить нам эта библиотека?

Поддерживаемый функционал:

Протоколы: ARP, IP, ICMP, UDP, TCP, DHCP, SNMP, SMTP, HTTP, FTP, TFTP
Поддержка TCP и UDP
Поддержка SSL
Поддержка NetBIOS
Поддержка DNS

Стек поддерживаемых протоколов:

Имеются исходники http-сервера, поддерживающего GET и POST запросы, SSL-аутентификацию и сжатие GZIP, клиент и сервер ICMP, клиент и сервер SNMP (версии 1, 2 и 3, в т.ч. SNMP TRAP), программный мост TCP2UART, сервер TELNET, клиент DynDNS, DNS, DHCP, и многое другое.

При всём при этом, стек занимает не так много памяти. Так, реальный проект, содержащий WEB-сервер, DHCP и DNS-клиент, мост Ethernet─Serial, сервер TFTP и SNMP, клиент SMTP, потребует порядка 33 килобайта памяти программ (ROM) и 2 килобайта памяти данных (RAM), при том, что типичный размер памяти PIC18F67J60 составляет 128кб.

Производительность стека:

Как видно, скорости не поражают воображение, однако не стоит забывать, что хостить на подобном устройстве «Facebook» вряд-ли кому-либо придёт в голову. А страница размером 30кБ с AJAX и парой небольших картинок загрузится менее чем за секунду (по локальной сети).
Дистрибутив MAL содержит ряд примеров, наиболее интересные из которых:

TCPIP Internet Bootloader App - пример, реализующий обновление прошивки контроллера по протоколу TFTP.
TCPIP Internet Radio App -играет mp3 поток с указанного сайта (используется внешняя микросхема-декодер mp3).
TCPIP WebVend App – эмулятор торгового автомата с Web-интерфейсом (демонстрируется работа запросов GET\POST, Ajax)

Собираем проект

Всё это интересно, но пора бы уже собрать собственное приложение. Пусть это будет пример «Demo App» (из каталога Microchip Solutions v2011-12-05\TCPIP\Demo App). Переходим в эту папку, и видим кучу «сишных» файлов, вперемешку с файлами проектов от MPLAB (*.mcp, *.mcw). Ищем файл проекта, подходящий для нашей отладочной платы. Скажем, если у плата у нас называется «Ethernet Starter Kit», открываем проект C32-PIC32_ETH_SK_ETH795. Если плата пользовательская, можно создать проект с нуля, или открыть наиболее похожий проект и модифицировать под себя. Например, если плата будет с PIC18F67J60 со встроенным PHY, берём проект C18-PICDN2_ETH97, и дорабатываем напильником. Доработка заключается в следующем: Лезем в Project->Build options->Project->С18, и меняем C18-PICDN2_ETH97 на «YOUR_BOARD»:

Создаем файл HWP YOUR_BOARD.h на основе наиболее похожего. В этом файле прописаны номера портов для модулей, использующих какую-либо периферию. Скажем, модуль SPI_EEPROM.c берёт оттуда имена портов SPI для обмена данными с внешним EEPROM:

#define EEPROM_CS_TRIS (TRISCbits.TRISC0)
#define EEPROM_CS_IO (LATCbits.LATC0)
#define EEPROM_SCK_TRIS (TRISCbits.TRISC3)
#define EEPROM_SDI_TRIS (TRISCbits.TRISC4)
#define EEPROM_SDO_TRIS (TRISCbits.TRISC5)

Если в нашей пользовательской плане порты отличаются, устраняем несоответствие.
Такая избыточная сложность демонстрационных проектов связана с желанием фирмы-производителя сделать так, чтоб пример можно было запустить на максимально-возможном числе разнообразного «железа». В дальнейшем, при написании своего проекта «с чистого листа» всё это можно будет вычистить и получить простую и понятную структуру.
Второй интересный файл, это TCPConfig.h, который, в зависимости от выбранного типа отладочной платы, вызывает файл с параметрами IP-протокола. Для пользовательской платы с PIC18F87J60 этот файл будет называться TCPIP ETH97.h
В нём включаются и отключаются различные модули стека.

/* Application Level Module Selection
* Uncomment or comment the following lines to enable or
* disabled the following high-level application modules.
*/

#define STACK_USE_UART // Application demo using UART for IP address display and stack configuration
#define STACK_USE_UART2TCP_BRIDGE // UART to TCP Bridge application example
//#define STACK_USE_IP_GLEANING

Выбирается тип внешней памяти для хранения файлов:
#define MPFS_USE_EEPROM
//#define MPFS_USE_SPI_FLASH

Устанавливается IP-адрес по умолчанию:
#define MY_DEFAULT_IP_ADDR_BYTE1

Настраивается размер буферов, и многое другое. Можно так-же не править этот файл вручную, а воспользоваться визардом, поставляющимся вместе со стеком:

Итак, будем считать, что порты и параметры TCP сконфигурированы, IP-адрес установлен, запускаем компиляцию. Если всё прошло успешно, получаем прошивку и шьём ее в МК, отладчиком или программатором. Запускаем, проверяем пинг на прописанный в файле TCPIP ETH97.h адрес. Если пинга нет, проверяем, горит ли светодиод Link, не получила ли плата другой ip-адрес по DHCP. Для проверки можно выключить режим автоматического получения ip-адреса, закомментировав строчки #define STACK_USE_DHCP_CLIENT и #define STACK_USE_IP_GLEANING . Получив наконец пинг, пробуем ввести адрес платы в браузере. Видим ошибку 404, page not found.
Естественно, ведь мы ещё не загрузили никаких файлов на наш WEB-сервер. Исправляем этот недочёт. Для этого нам понадобится утилита «Microchip MPFS generator».

Утилита преобразует указанную папку с файлами в файл-образ, пригодный для загрузки на встраиваемый сервер. В качестве Source Directory ей надо указать каталог с файлами для загрузки. Формат же зависит от того, где мы собираемся хранить эти файлы. Если в качестве места для хранения файлов мы указали внутреннюю ROM контроллера, указываем формат C18/C32 Image, и получаем на выходе файл MPFSImg2.c, внутри которого будет объявлен большой массив двоичных данных. Этот файл нужно добавить к проекту, и перекомпилировать его.
Если же для хранения файлов используется внешняя микросхема FLASH или EEPROM, выбираем формат BIN Image. Полученный на выходе файл MPFSImg2.bin загружаем либо через форму загрузки на сервере, либо включив соответствующую опцию в MPFS generator. Загружаем, обновляем страницу, наслаждаемся!

Пара слов о том, как это работает

Статический текст выводится непосредственно в файле HTML.
Чтобы отобразить на web-странице сервера динамическую переменную, достаточно заключить её тильдами, в виде ~variable~, а в коде файла CustomHTPPApp.c создать функцию, вида HTTPPrint_variable()

Переменные на Ajax создаются похожим образом, только динамическая переменная создается в отдельном XML файле, в виде:
~var1~, а в коде HTML-страницы вызывается функция их обновления: document.getElementById("var1").innerHTML = getXMLValue(xmlData, "var1");

Стек не использует какую либо ОС, и работает по принципу кооперативной многозадачности (впрочем, при желании можно прикрутить и ОС, см. AN1264). Выглядит это так:
В main() крутится бесконечный цикл, из которого вызываются функции, обслуживающие стек (StackTask и StackApplications) и пользовательские функции (в данном примере это user_task(), но может быть что угодно).

Do
{
StackTask();
StackApplications();
user_task();
CLRWDT(); //сторожевой таймер
}while(1);

При этом нужно стараться, чтоб пользовательская функция не выполнялась слишком долго. К примеру, если в этой функции сработает «тупая» задержка вида while(delay); то функции стека не смогут обработать входящие Ethernet пакеты, и на время этой задержки связь с устройством пропадёт. Для организации различных таймаутов, необходимых для нормальной работы IP протокола, стек использует аппаратный таймер МК (timer0 или timer1), работающий по прерыванию (по переполнению таймера вызывается функция TickUpdate).
Помимо реализации WEB-интерфейса и отправки SNMP trap-ов, довольно удобно использовать Telnet для вывода отладочной информации вместо традиционного в таких случаях порта RS-232.

Заключение

Тема Ethernet весьма обширна, и в одной статье рассказать обо всём невозможно. Для заинтересовавшихся предлагаю ознакомиться с сайтом

Печатная плата под модуль.

Схема подключения модуля к микроконтроллеру.

Печатная плата контроллера и шины ISA.

Изначально хотел сделать, чтобы можно было вставлять сетевую плату в ISA разъём, потом разъём выкусил и модуль просто впаял в эту плату. Можно конечно сделать и на разъёмах, даже лучше будет.

Внешний вид модуля.

Менеджер управления модулем Ethernet.

При работе с менеджером нажимаем START и в окне команд меняем цифру от 0 до 9. Наблюдаем реакцию модуля на команды.

Этот менеджер Генадия. Здесь вводим IP адрес, нажимаем кнопку Connect и кнопками On/Off можно поуправлять светодиодами на модуле.

Здесь выложен результат прослушки протокола при обмене менеджера с устройством.

Протокол ARP

Address Resolution Protocol

Запрос от мастера

0x0000 FF FF FF FF FF FF 00 0D-61 21 FF 96 08 06 00 01 ÿÿÿÿÿÿ..a!ÿ–....

0x0010 08 00 06 04 00 01 00 0D-61 21 FF 96 C0 A8 00 05 ........a!ÿ–À¨..

0x0020 00 00 00 00 00 00 C0 A8-00 19 ......ˬ..

Ethernet II

FF FF FF FF FF FF – Destination MAC - МАС адрес получателя.

08 06 – Ethertype 0x0806 - (2054) – ARP.

ARP

00 01 – Hardware 0x0001 (1) - Ethernet.

08 00 – Protocol 0x0800 (2048) – IP.

06 – Hardware address length 0x06 (6).

04 – Protocol address length 0x04 (4).

00 01 – Operation 0x0001 (1) – ARP Request.

00 0D-61 21 FF 96 – Sender MAC address - МАС адрес отправителя.

C0 A8 00 05 – Sender IP address – IP адрес отправителя.

00 00 00 00 00 00 – Target MAC address – МАС адрес получателя (все).

C0 A8-00 19 – Target IP address – IP адрес получателя.

Протокол IP / ICMP .

Internet Control Management Protocol

Запрос от мастера

0x0000 00 22 3A 6F 47 B9 00 0D-61 21 FF 96 08 00 45 00 .":oG¹..a!ÿ–..E.

0x0010 00 3C 19 E0 00 00 80 01 -9F 72 C0 A8 00 05 C0 A8 .<.à..€.ŸrÀ¨..À¨

0x0020 00 19 08 00 D2 5A 03 00 -78 01 61 62 63 64 65 66 ....ÒZ..x.abcdef

0x0030 ghijklmnopqrstuv

Ответ от слейва

0x0000 00 0D 61 21 FF 96 00 22-3A 6F 47 B9 08 00 45 00 ..a!ÿ–.":oG¹..E.

0x0010 00 3C 19 DD 00 00 80 01 -9F 75 C0 A8 00 19 C0 A8 .<.Ý..€.ŸuÀ¨..À¨

0x0020 00 05 00 00 DB 5A 03 00 -77 01 61 62 63 64 65 66 ....ÛZ..w.abcdef

0x0030 67 68 69 6A 6B 6C 6D 6E-6F 70 71 72 73 74 75 76 ghijklmnopqrstuv

0x0040 77 61 62 63 64 65 66 67-68 69 wabcdefghi

Ethernet II

00 0D-61 21 FF 96 – Source MAC - МАС адрес отправителя.

08 00 – Ethertype 0x0800 = IP.

IP

45 – IP version “4” and “5” – Header length =20 bytes.

00 – Type of service

00 3C – Total length 0x021 = 33

19 E0 – Id (номер пакета)

00 00 – Flagmant offset = 0.

80 – Time to Live (TTL) = 128.

01 – Protocol (ICMP)

9F 72 – Контрольная сумма.

C0 A8 00 05 – IP отправителя.

C0 A8 00 19 – IP получателя.

ICMP

08 – Type 0x08 (8) Echo. (0)- Echo reply.

00 – Code 0x00 (0).

D2 5A – Checksum 0xD25A (53850) correct.

03 00 – Identifier 0x0300 (768).

78 01 – Sequence Number 0x7801 (30721).

Протокол IP/UDP

User Datagram Protocol

0x0000 00 C9 3A 6F 47 B9 00 0D-61 21 FF 96 08 00 45 00 .É:oG¹..a!ÿ–..E.

0x0010 00 21 30 E0 00 00 80 11 -88 7D C0 A8 00 05 C0 A8 .!0à..€.ˆ}À¨..À¨

0x0020 00 19 17 D8 00 6F 00 0D -C3 75 2A 54 41 54 37 ...Ø.o..Ãu*TAT7

Ethernet II

00 C9 3A 6F 47 B9 – Destination MAC - МАС адрес получателя.

00 0D-61 21 FF 96 – Source MAC - МАС адрес отправителя.