基于IP2022的嵌入式設(shè)備與以太網(wǎng)互連系統(tǒng)的設(shè)計

1 引言

　　隨著Internet技術(shù)的日益普及，信息共享的程度不斷提高。據(jù)網(wǎng)絡(luò)專家預測，將來在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸?shù)男畔⒅校?0%左右是來自小型嵌入式設(shè)備，互聯(lián)網(wǎng)應用正在轉(zhuǎn)到以嵌入式設(shè)備為中心。由于在工業(yè)測控系統(tǒng)、智能儀器、智能家電等領(lǐng)域應用的許多嵌入式設(shè)備，它們的對外通訊接口仍然是易用性強、可靠性高的串口，因此如何將工業(yè)中已經(jīng)大量應用的帶有串口的嵌入式設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，就成了一項重要而迫切的課題。

　　本文就是在這種應用現(xiàn)狀背景下，以IP2022網(wǎng)絡(luò)處理器為核心，設(shè)計實現(xiàn)了帶有RS-485串口的嵌入式設(shè)備與以太網(wǎng)的互聯(lián)系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了通用異步收發(fā)機（UART）、以太網(wǎng)驅(qū)動器外設(shè)和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧功能，為嵌入式設(shè)備接入以太網(wǎng)提供了一個軟硬件平臺。

　　2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　2.1 IP2022簡介

　　IP2022是美國Ubicom公司推出的一顆功能強大的網(wǎng)絡(luò)通信處理器，在4.8MHz晶振驅(qū)動下，利用其內(nèi)部的鎖相環(huán)（PLL）電路，CPU工作頻率可達到120MHz，并且大多數(shù)指令均為單周期執(zhí)行，其吞吐量能滿足各種新型網(wǎng)絡(luò)連通應用的要求。IP2022的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　IP2022內(nèi)含全雙工串化器/解串器（Ser/Des），能直接與各種常用網(wǎng)絡(luò)接口連接，可實現(xiàn)片內(nèi)10Base-T以太網(wǎng)（MAC和PHY）、 UART以及其它各種快速串行協(xié)議。IP2022以軟件模塊（ip Modules）形式實現(xiàn)外設(shè)通信和控制功能，比傳統(tǒng)硬件具有更大的系統(tǒng)設(shè)計靈活性。IP2022還提供有TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，并具有一系列完整的端到端連通方案所必須的附加軟件。IP2022由于其內(nèi)含兩個Ser/Des部件，能方便的從一種格式轉(zhuǎn)換為另一種格式，所以也能做協(xié)議轉(zhuǎn)換器。

　　2.2 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)的硬件主要由IP2022網(wǎng)絡(luò)處理器、RS-485接口電路、以太網(wǎng)接口電路和電源電路等組成。IP2022網(wǎng)絡(luò)處理器是整個系統(tǒng)的核心，主要完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)的控制。以太網(wǎng)接口電路實現(xiàn)與10Base-T Ethernet的連接。RS-485接口電路實現(xiàn)與帶有RS-485接口的嵌入式設(shè)備的連接。電源電路提供了系統(tǒng)所需的+5V、+3.3V、+2.5V 電源。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　2.3 系統(tǒng)的RS-485接口電路

　　RS-485標準由于具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離及多站傳輸能力等優(yōu)點，已經(jīng)成為分布式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標準。但在實際使用過程中如果使用不當，數(shù)據(jù)傳輸就會出現(xiàn)誤碼。

　　為了抑制誤碼，在本設(shè)計中，我們用了兩片具有瞬變電壓抑制功能的SN75LBC184，把輸入和輸出的線路分開，使輸入和輸出的信號互不干擾。SN75LBC184帶有內(nèi)置高能量瞬態(tài)噪聲保護裝置，提高了抵抗數(shù)據(jù)同步傳輸電纜上的瞬變噪聲的可靠性。該芯片以差分方式傳輸信息，抗共模干擾能力強，容許一對雙絞線上一個發(fā)送器驅(qū)動多個負載設(shè)備，其最大容許通信距離達到1200米。圖3給出了系統(tǒng)的RS-485接口電路的原理示意圖。通過反復試驗，在輸入端加裝3.3K偏置電阻，串聯(lián)1K串聯(lián)電阻，使輸入信號波形最好；在輸出端，加裝18K偏置電阻。

　　SN75LBC184工作電壓為+5V，而IP2022的I/O端工作電壓為+3.3V。這樣一來，接收外部信號時，就可能因為電壓過高而對 IP2022的I/O端口造成損壞。所以設(shè)計時就在SN75LBC184和IP2022之間加了一個電壓轉(zhuǎn)換芯片74LVX4245。該芯片一端信號使用+5V，另一端信號使用+3.3V，通過使能端來控制信號的流向，這就有效的維護了IP2022的工作穩(wěn)定性和安全性。

　　2.4 系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口電路[5]

　　IP2022芯片內(nèi)含全雙工串化/解串器（SER/DES），能夠?qū)崿F(xiàn)片內(nèi)10Base-T以太網(wǎng)（MAC和PHY）。在設(shè)計外部接口電路時，不需要使用專用的以太網(wǎng)接口芯片，只需直接將IP2022的輸入輸出信號線與網(wǎng)絡(luò)變壓器連接。圖4給出了系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口電路的原理示意圖。

　　IP2022使用了6根I/O引腳，這6根I/O引腳與串化器/解串器1相連。其中用于發(fā)送的四根引腳各聯(lián)接一個電阻，這四個電阻聯(lián)合給出了100Ω的阻抗。TX+/TX-為差分發(fā)送線對，RX+/RX-為差分接收線對，使用差分平衡傳輸，傳輸速度可達到10Mbps。

　　FB2022是一個內(nèi)部帶有低通濾波器的網(wǎng)絡(luò)變壓器，負責將IP2022輸出差分電壓放大之后傳給RJ45，將輸入的差分電壓變壓縮小之后傳給IP2022，保護IP2022芯片不受損壞。

　　在RX+和RX-之間跨接100Ω的耦合電阻，提高通信線路的穩(wěn)定性。RJ45為標準的雙絞線以太網(wǎng)接口插座。