■PICNICについて
2007年8月6日 18:17 更新
●PICNICの概要
PICNICとは／特徴・回路図／動作チェックに必要なもの／PICNIC仕様
1.1.1 PICNICとは？
PICNIC は、"PIC Network Interface Card" の略で、PICマイコン Microchip PIC16F877を利用した、Ethernet に接続する I/O ボードのキットです。従来のver.1キットと比較して、今回利用するver.2キットは、更に小型化され、700mm×100mmとなりました（写真１）。
＜写真１＞ ネットワーク対応PICマイコンボード PICNIC ver.2
PICNICは、トライステート（TriState）社の製品で、秋月電子通商から購入することができます。
このキットを用いて周辺機器接続用のインターフェースを用意し、PICマイコンのパラレルI/O をネットワーク経由で制御するようなアプリケーションプログラムを用意することで、機器電源の制御やセンサ情報の収集など、多様なシステム構築が容易に行えます。
ネットワーク経由でのパラレルI/Oの制御・監視は、PICマイコンのファームウェア上に実装された簡易httpサーバによって対応します。この機能によって、クライアント側（webブラウザ）はプログラミング不要となり、機種やOSを選びません。
ネットワークインターフェース制御（NIC）はEthernetを利用します。これによって、市販の安価なEthernet用ネットワーク機器（HUBなど）とケーブルを準備するだけで、全ての実験環境が構築できます。なお、外部ネットワーク（WAN、インターネット接続）との接続のためには、構内LANやADSL、CATVケーブルインターネット網への接続が必要となります。
他方、PICNICの専用制御プロトコルをクライアント側に実装し、webブラウザを使用しない専用システムの構築を行うことも可能です。制御用ライブラリはTriState社のホームページからダウンロードすることが可能です。
1.1.2 特徴・回路図
・Microchip社製 PIC16F877（RISC Enhanced x16、DIP300/40pin CMOS Flash 8bitマイクロコントローラ、通称87xシリーズ）を使用。→データーシート（オリジナル）はここから
・Realtek Semiconductor社製 NE2000(DP8390)互換 RTL-8019AS（10BASE-T 100pin/QFP one-chip Ethernetコントローラ、通称カニチップ）を使用。
・主要LSI、チップ抵抗・コンデンサは基板部品面に予めハンダ付け済み。キット組み立てはコネクタ類とDIP-ICソケット、入出力コネクタ、LEDなどの実装を行うのみで完了し、簡単です。
＜図１＞ 機能ブロック図
＜図２＞ 回路図（※TriState社データシートから転載）
ここをクリックしてPDFファイルを表示
※CreativeCommonsライセンス付与に従いリンク削除(2007/08/06)
※付記
・PIC16F877コントローラは、RAポートをアナログ入力ピン、RBポートを汎用（ディジタル）I/Oピンとしてボード外へ出しています。入出力端子は回路図中CN2コネクタ（100milピッチ26ピン）。
・アナログ入力ピンRA5には、基板上に実装された摂氏℃リニアな温度センサIC（LM35DZ）の出力（温度係数+10.0mV/℃）が接続されています。これにより、ボード周辺の温度（大まかな室温）をモニタできるようになっています。
・LCD液晶ディスプレイパネル・モジュール（オプション）をCN5コネクタへ接続すると、ディジタル出力ポートRBをCN2コネクタで共有して使用するため、外部で利用可能なポート数は減少します。
・シリアルEEPROM 93C46(U2) には、本PICNICのEthernetNICコントローラ向けの、唯一無二のMACアドレスが予め書き込まれています。
・基板上ジャンパSW JP2 は、電源投入時に、ファームウェアの動作を「通常モード」か「ブートストラップモード（初期設定）」のどちらで開始するかを選択するものです。
1.1.3 動作チェックに必要なもの
・（ACアダプタなどの）DC12V電源（秋月電子のDC12Vアダプタを推奨）
・10BASE-T NICを有するパソコン（ブートストラップモードでのチェック時には、RS-232Cシリアルインターフェースによる接続が必要になります）（写真２）
・Ethernet ハブ（HUB）装置、とストレートケーブル（2本）。
・１対１でのみ接続する場合はクロスケーブルでも使用可能。
・Webブラウザ
・ファームウェア開発時には、MPLAB（MPASM）開発環境とPICライタ装置が必要。
・クライアント側ドライバを用いた開発時には、Visual BASIC、Visual C++、GNU gcc などの言語開発系が必要。
＜写真２＞ パソコンを接続し、動作チェックを行っている様子
正常に動作していると、ブラウザから接続して、このようなページが現れます。
1.1.4 PICNIC仕様
・通信方式：Ethernet 10BASE-T
・アクセス方式：CSMA/CD
・Ethernet NIC：RTL-8019AS（NE2000コンパチブル）
・制御CPU：PIC16F877-20/P（20MHzクロック駆動）
・内蔵インターフェース：
(a)ディジタルI/O：出力4ch、入力4ch（LCDモジュール使用時には出力6ch、入力2ch）
(b)アナログI/O：入力4ch（0-5V、分解能10bit）＋温度センサ用1ch（測定範囲 0-100℃）
(c)シリアルI/O：1ch（RS-232C、フロー制御なし）
・ファーム内蔵プロトコル：ARP、DHCP、ICMP、IP、UDP、TCP、HTTP（GETメソッドのみ）
・IP最大コネクション数：５
・通信バッファ：16Kバイト（EthernetNIC内部のリングバッファを共用）
・デフォルトIPアドレス：192.168.0.200/24
・周辺機能：RS-232Cシリアルインターフェイス（SP232ACP）、温度センサ（LM35DZ）、16x2 LCD表示モジュール（SC1602B、オプション）
・LED表示：I/Oポート出力ポート状態x4ch、Ethernet-NIC状態LEDx3(TX,RX,LINK)
・電源：DC 8-12V 100mA
●PICNICのファームウェア
ファームウェア内蔵プロトコルスタック／ファームウェアのダウンロード／ファームウェアの概要／ファームウェアの初期設定シーケンス
1.2.1 ファームウェア内蔵プロトコルスタック
本PICNICのファームウェアに実装されているプロトコルスタックは、以下の通りです。
・Ethernetフレーム送受信処理
・ARP受信処理
・IP受信処理
・ICMP受信処理
・UDP受信処理
・TCP受信処理
・HTTP受信処理
1.2.2 ファームウェアのダウンロード
PICNIC ver.2用のMPASMアセンブラ向けファームウェア（ver1.2）は以下からダウンロードしてください。
1.2.3 ファームウェアの概要
ファームウェア全体では7380行もコード量があります。
全てについての詳細な説明は別稿に譲りますが、大まかなブロックは以下のように構成されています。
21〜37行目：各種定数の定義
42〜53行目：ワーキングメモリ領域
61〜466行目：プロトコルスタック向け各種環境変数の定義
470行目：プログラム開始点（ORG 0）
482〜621行目：割り込みルーチン（受信処理、タイムアウト）
628〜815行目：各種機能関数（TCPフレーム番号管理、エラー復帰）
820〜889行目：メインループ
902〜1018行目：Ethernetフレーム受信処理（RTL8019ASバッファ管理）
1025〜1068行目：ARPプロトコル処理
1172〜1341行目：IPプロトコル処理（受信バッファ管理）
1349〜1434行目：ICMPプロトコル処理
1441〜1565行目：UDPプロトコル処理（パラレルポート出力管理）
1571〜1682行目：DHCP(BOOTP)プロトコル処理（IPアドレス取得関係）
1690〜2323行目：TCPプロトコル処理（サーバ機能のみ、パケット出力ルーチン含む）
2328〜2393行目：A/D変換入力処理
2398〜2500行目：入出力状態の前処理ルーチン
2504〜2558行目：ショートメッセージ解析処理
2563〜2764行目：ネットワークソケットの作成、チェックサム計算
2771〜3032行目：RTL8019ASの初期化関係
3037〜3214行目：チェックサム計算、パケット送信処理（NICレベル）
3221〜3344行目：Ethernetフレーム、IPフレーム作成
3352〜3578行目：UDP→パラレルI/O制御、A/D変換機能
3584〜3560行目：UDPチェックサム計算
3655〜3873行目：シリアルインターフェース制御
3879〜4024行目：ソケット管理
4030〜4290行目：Ethernetブロードキャスト処理
4295〜4369行目：EEPROMへのデータ書き込み関係
4555〜4577行目：EEPROM初期化
6063〜6130行目：EEPROM関係ライブラリ
7266〜7306行目：EEPROMデフォルト値セット
4379〜4548行目：URL指定CGI解析処理
4583〜4643行目：URL引数によるパラレルI/O出力値の変更
4651〜4919行目：スタートアップルーチン（電源投入時設定関係）
4625〜5036行目：LCDディスプレイ関係ライブラリ
5042〜5292行目：各種演算ライブラリ関数群
5297〜5404行目：ブートストラップモード・初期化ルーチン
5411〜5944行目：シリアル端末操作コマンド関係
7015〜7054行目：ブートストラップモード・端末表示
7311〜7374行目：ブートストラップモード・コマンド解析用データ
5952〜6056行目：現在のソケットステータスの通知処理（現在未使用）
6139〜6266行目：取得したIPアドレスをLCDパネルへ表示する処理
6431〜6697行目：DHCPサーバからのIPアドレス取得処理
6273〜6424行目：シリアルポート→UDP送信処理
6703〜7009行目：UDP受信→シリアルポート出力、LCDパネル表示
7061〜7258行目：WebブラウザHTML形式の応答メッセージ・形式格納エリア
これらのうち、既に実装されている各種プロトコルスタック自体は、ユーザ側で変更する場面はほとんどありません。制御のためにwebブラウザに表示されるページの変更は、7061行目から始まる、HTML形式の応答メッセージ・形式格納エリアの部分を改造することになります。
Ethernetフレーム長の制限のため、１回で全てのHTML形式テキストを送出することができないため、4つのブロック（ESTAB0からESTAB9に渡る４トランジション遷移）に分割して送出しています。この送出処理が、1690行目からのTCPパケット処理のシーケンサとして実装されています。
Ethernetケーブルの切断、ネットワークの途絶、各種プロトコル処理中のフリーズ状態からの回復のため、タイマ割り込みルーチン内には、自動リセット機能が実装されています。例えばフリーズの後、約15秒後にTCPのLISTEN状態に強制的に戻すように設計されています。
HTTPプロトコルのGETメソッドにあたる部分だけが実装されています。
簡易HTTPサーバとして存在しており、webブラウザからのリクエストにより、まず送られたURL中のパラメータ（?の後）を解析し、PIC内部のEEPROMに制御情報を保存、そして各種の外部インターフェースの制御を行います。その後、現在のPICNICの情報（上記HTMLテキスト）をブラウザへ送出します。
1.2.4 ファームウェアの初期設定シーケンス
ファームウェアのスタートアップルーチン（電源投入時設定関係、4651行目〜）のシーケンスは以下のようになっています。
（１）内蔵EEPROMから初期設定に必要なデータ（IPアドレス設定、など）をRAMにコピー
（２）LCD液晶ディスプレイパネルを初期化
（３）EthernetNIC(RTL8019AS)を初期化し、CONFIGレジスタをNICへロード
（４）外部シリアルEEPROM 93C46 から、MACアドレスを取得
（５）（４）で取得したMACアドレスをNICのPARレジスタへ書き込み
（６）動作モード（通常 or ブートストラップ）のジャンパSW状態確認。その後、選択されたモードのメインルーティンへ突入。
（７）DHCPサーバからのIPアドレス取得（IP=0.0.0.0）が必要なら、ブロードキャストでDHCPプロトコルのDISCOVERメッセージを送出する。
※上記の処理が終了した後、フレーム受信待ち状態となる。
●PICNICの使用方法
webブラウザでのリモートI/O制御／LCD液晶モジュール／専用制御プロトコルを用いたテストプログラム
1.3.1 webブラウザでのリモートI/O制御
図３に、Ethernet経由にて、Microsoft Internet ExplorerでPICNICに割り当てられたIPアドレスへ接続した画面を示します。
この例では、グローバルIPアドレス：160.252.131.19/25として接続されています。
＜図３＞ webブラウザを用いたリモートI/O制御画面の例（HTMLバージョン）
リモートI/O制御画面は、大まかに次の３つのセクションに分かれています。
（１）I/O Portsセクション
現在のI/Oポートの状態が表示されます。表示されている値は、リアルタイムには更新されないので、現在の状態の取得には、ブラウザの「リロード」ボタンを押して、再取得します。あるいは、セクション最下段の、[Reload]ボタンをクリックします。
ポート状態としては、アナログ入力ポート（RA0からRA3）、温度センサ値（RA5、摂氏値）、ディジタルI/Oポートの入出力状態が表示されています。
出力値の変更は、RB2からRB7のOUTと示されているポートのみ制御可能です。
制御値は、[H]または[L]のボタンをクリックすると、その値へ変更されます。
サーバ側では仮想的な modify.cgiというCGIプログラムが応答しているものとし、
URL中のパラメータとして、出力ポート番号=値 という引数を渡すことで、
出力が変更されます。
例えば、このPICNICの設定の場合、URLとして
http://160.252.131.19/modify.cgi?RB7=H
が指定されると、出力ポート RB7 が High に変更されます。
基板上の当該LEDも点灯されます。
I/Oポート制御のためのURL指定について以下にまとめます。
[現在値のReload]
http://160.252.131.19/modify.cgi?
[例：出力ポートRB7 -> Hへ変更]
http://160.252.131.19/modify.cgi?RB7=H
[例：出力ポートRB7 -> Lへ変更]
http://160.252.131.19/modify.cgi?RB7=L
（２）Configurationセクション
現在設定されいるIPアドレス、ネットマスク値、ゲートウェイIPアドレス、各種機能用のポート番号が表示されています。
図３の表示例では、IPアドレス：160.252.131.19、ネットマスク25bit、ゲートウェイ：160.252.131.1 として設定されていることがわかります。
設定値の変更は、該当するテキストフィールドに数値を入力して、[Save]ボタンをクリックし、電源を切断・再投入するか、リセットスイッチを押す必要があります。
[Default]ボタンをクリックすると、ローカルIPセグメント用の設定値である、IPアドレス：192.168.0.200、ネットマスク24bitというデフォルト値が設定されます。
IPアドレスとして 0.0.0.0 を設定することで、DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)サーバからIPアドレス取得を行うモードとなります。
ネットワーク設定のためのURL指定について以下にまとめます。
[default値]
http://160.252.131.19/submit.cgi?00b=192.168.0.200&04b=255.255.255.0&08b=0.0.0.0
&10w=80&12w=0&14w=10001&16w=10002
[初期値に戻すには]
http://160.252.131.19/submit.cgi?INIT=Default
（３）Statusセクション
パケット数と現在のIPアドレス値が表示されます。なお、IPアドレス値については、DHCP取得の時にのみこの表示の意味があります。
1.3.2 LCD液晶モジュール
LCD液晶パネルが接続されている場合、現在のIPアドレス設定値が表示されます。DHCPサーバからIPアドレス取得するモードであり、かつ取得が成功した場合、取得したIPアドレスが表示されます。
※注意：LCD Port UDP:#に値が設定されていない（0がセット）場合、LCDパネルには■■■■■が表示されるので注意。IPアドレスの表示には、この値を 10000 などとしておくこと。
LCDパネルを使用しない場合：
RB0〜RB3が入力、RB4〜RB7が出力（ユーザ使用可能）
LCDパネルを使用する場合：
RB0,RB1が入力、RB2〜RB7がLCD制御出力（ユーザ使用可能ポートと共用）
1.3.3 専用制御プロトコルを用いたテストプログラム
Windows上で稼動する、専用制御プロトコルを用いたテストプログラム（pictest.exe）がTriState社webサイトから配布されています。
http://www.tristate.ne.jp/picnic/menu.html
ここから、サンプルプログラム(pictest)＋インストーラのLZH形式ファイルをダウンロード
http://www.tristate.ne.jp/picnic/pictest.lzh
その後、Lhasaなどのツールで解凍、setup.exeを実行し、セットアップします。
[スタート]→[プログラム]からPICNIC test を実行し、IPアドレス、取得時間を表示するLCDパネルのポート番号をセットし、[接続]ボタンをクリックすると、設定されている取得間隔毎にPICNIC側へ接続を行い、現在の入出力状態を表示します。PICNICのLCDパネルの第２行には、pictestによって接続・取得された日時が表示されます。
＜図４＞ テストプログラムによるリモートI/Oの状態取得の例
●PICNICの専用制御プロトコル
以下のTriState社webサイトから各種プラットフォーム・言語用の制御APIドライバがダウンロード可能です。
上述の、1.3.3 テストプログラム（pictest.exe）も、Windows上のPICNIC.DLLライブラリとVisual C++にて開発されたものです。
この演習では、専用制御プロトコルは対象としていません。各自で研究下さい。
http://www.tristate.ne.jp/picnic/menu.html
