基于DSP的嵌入式以太網(wǎng)接口轉(zhuǎn)換器

　　許多測量和控制設備都是通過串口與其他設備通信，使設備間的數(shù)據(jù)交互和遠程控制受到限制。如果能把串口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)格式，組建一個局域網(wǎng)(LAN)來進行數(shù)據(jù)的交互與傳輸，則上述的限制將得到有效的改進。考慮到以太網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)的易于理解、實現(xiàn)、管理和維護，且成本低廉、網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)靈活的優(yōu)點，應用以太網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)來搭建數(shù)據(jù)交互的平臺。其中的關(guān)鍵就是接口轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)。

　　DSP芯片作為一種特殊的嵌入式微處理器系統(tǒng)，具有嵌入的協(xié)處理器和用于快速數(shù)據(jù)處理的并行數(shù)據(jù)通道，而且DSP在語音圖像信號處理方面也具有強大功能。在嵌入式網(wǎng)絡設備中引入DSP技術(shù)，可以使嵌入式以太網(wǎng)變得更快，成本更低，也更容易進行功能擴充，因此選用DSP芯片作為接口轉(zhuǎn)換器的微控制器。

　　為提高網(wǎng)絡通信效率，可以采用自定義的從數(shù)據(jù)鏈路層到應用層的網(wǎng)絡通信協(xié)議，以適應特定場合應用的需要；如果需要，還可以編寫一個自定義協(xié)議和TCP／IP互譯的網(wǎng)關(guān)軟件，實現(xiàn)嵌入式網(wǎng)絡和Internet的連接。

　　本文介紹的接口轉(zhuǎn)換器解決了車內(nèi)的數(shù)字式語音通信系統(tǒng)的接口轉(zhuǎn)換問題。

　　1 接口轉(zhuǎn)換器的硬件設計

　　在設計一個嵌入式系統(tǒng)時，不但要考慮系統(tǒng)所要具備的功能，同時還要考慮價格、體積等因素。TMS320C3X[1]系列芯片是TI公司推出的浮點運算DSP芯片。由于其較高的性價比，TMS320C3X的應用極其廣泛；由于將浮點運算與定點運算結(jié)合起來，具有更高的精度，并且不必考慮運算的溢出問題，因此浮點DSP具有更高的性能，更容易在系統(tǒng)的處理器上實現(xiàn)高級語言[2]。TMS320C32是TMS320系列浮點數(shù)字信號處理器的新產(chǎn)品，在TMS320C30和TMS320C31的基礎上進行了簡化和改進。在結(jié)構(gòu)上的改進主要包括：可變寬度的存儲器接口、更短的指令周期時間、可設置優(yōu)先級的雙通道DMA處理器、靈活的引導程序裝入方式、可重新定位的中斷向量表以及可選的邊緣／電平觸發(fā)中斷方式等。對TMS320C32的開發(fā)可以用匯編語言，也可以用C語言。使用匯編語言的優(yōu)點在于，運行速度快，可以充分利用芯片的硬件特性；但開發(fā)速度較慢，程序的可讀性差。使用C語言的優(yōu)勢在于，編程容易、調(diào)試速度快、可讀性好，可以大大縮短開發(fā)周期；但C語言對于其片內(nèi)沒有映射地址的特殊功能寄存器不能操作，如IF和IE、AR0～AR7等。

　　以太網(wǎng)接口芯片采用CS8900A[3]。該芯片是Cirrus Logic公司生產(chǎn)的一種局域網(wǎng)信號處理芯片，內(nèi)部集成了片上RAM，其模擬前端包括曼徹斯特編解碼器、時鐘恢復電路、10BASE2T收發(fā)器和濾波器及一個AUI(Attachment Unit Interface)接口。CS8900A的MAC(Medium Access Control，媒體訪問控制)引擎負責以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收、檢測和處理沖突，生成和檢測幀引導頭(Preamble)，自動生成和校驗CRC(Cyclical Redundancy Check，循環(huán)冗余校驗)碼。芯片在網(wǎng)絡物理層符合IEEE 802.3以太網(wǎng)標準，支持全雙工操作，是嵌入式平臺實現(xiàn)10 Mbps以太網(wǎng)連接的很好的選擇方案。

　　接口轉(zhuǎn)換器的硬件框圖如圖1所示。DSP作為整個硬件模塊的CPU，SRAM用作外部數(shù)據(jù)存儲器，F(xiàn)lash用于存儲程序，CPLD或FPGA用于擴展DSP的對外接口控制。虛線框是可擴展的模塊。

　　2 TMS320VC32與CS8900A的連接方法

　　CS8900A的20位地址線與TMS320VC32地址線低20位相連；CS8900A的16位數(shù)據(jù)線與TMS320VC32數(shù)據(jù)線低16位相連；數(shù)據(jù)總線高位使能端由A0控制。通過一片CPLD擴展TMS320VC32的外部控制功能，控制CS8900A的中斷請求、復位和讀寫操作。TMS320VC32與CS8900A連接關(guān)系如圖2所示。

　　設置以太網(wǎng)接口芯片CS8900A工作于I／O模式。通過對芯片各寄存器的操作可設置網(wǎng)絡終端接口電路的功能和讀取狀態(tài)信息。

　　CS8900A的主要寄存器有：

　　LineCTL 決定CS8900A的基本配置和物理接口，設置初始值為00D3H，選擇物理接口為10BASE2T。

　　RxCTL 控制CS8900A接收特定的數(shù)據(jù)報，設置RxTCL的初始值為0D05H，接收網(wǎng)絡上的廣播或目標地址與本地物理地址相同的正確數(shù)據(jù)報。

　　RxCFG 控制CS8900A接收到特定數(shù)據(jù)報后會引發(fā)接收中斷，RxCFG可設置為0103H，收到正確數(shù)據(jù)報時產(chǎn)生接收中斷。

　　BusCTL 控制芯片的I／O接口操作，設置初始值為8017H，打開CS8900A的中斷總控制位。

　　ISQ 中斷狀態(tài)寄存器。內(nèi)部映射接收狀態(tài)寄存器和發(fā)送中斷寄存器內(nèi)容。

　　Port0 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時，CPU通過Port0傳輸數(shù)據(jù)。

　　TxCMD 發(fā)送控制寄存器。如果寫入數(shù)據(jù)00C0H，那么網(wǎng)卡芯片在全部數(shù)據(jù)寫入后開始發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　TxLength 發(fā)送數(shù)據(jù)長度寄存器。發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先寫入發(fā)送數(shù)據(jù)的長度，然后將數(shù)據(jù)通過Port0寫入芯片。

　　系統(tǒng)上電時，首先對CS8900A進行初始化，寫寄存器LineCTL、RxCTL、RxCFG、BusCTL。發(fā)送數(shù)據(jù)時，寫控制寄存器TxCMD，并將發(fā)送數(shù)據(jù)長度寫入TxLength，然后將數(shù)據(jù)依次寫入Port0口，數(shù)據(jù)就可以發(fā)送出去了；接收到數(shù)據(jù)時，CS8900 A將觸發(fā)中斷，在其中斷處理程序中可以接收數(shù)據(jù)并處理。

　3 接口轉(zhuǎn)換器的軟件設計

　　3．1 自定義網(wǎng)絡協(xié)議

　　在嵌入式網(wǎng)絡系統(tǒng)中，可以使用TCP／IP協(xié)議，但不夠經(jīng)濟。原因是TCP／IP協(xié)議過于龐大，過于復雜，以至于效率低下。一方面是嵌入式系統(tǒng)各單元內(nèi)部CPU的處理速度受限；另一方面，在某些特定場合特定任務的應用環(huán)境中TCP／IP功能冗余，阻礙了硬件效能的最大發(fā)揮。為此，針對特定的應用，制定相應的自定義網(wǎng)絡協(xié)議，靈活方便，針對性強，經(jīng)濟實用。

　　下面單從數(shù)據(jù)應用的角度，定義一個簡單、實用的以太網(wǎng)傳輸協(xié)議。

　　3．2協(xié)議層次

　　系統(tǒng)參照ISO的OSI模型，采用縮減的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)。如圖3所示，網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)分為3層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。物理層規(guī)定網(wǎng)絡的拓撲形式及通信信號的電氣特性；數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)點到點的通信規(guī)程，完全執(zhí)行IEEE802．3的CSMA／CD協(xié)議。

　　3．3 幀結(jié)構(gòu)

　　以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)如下：

　　物理層的前同步碼(即物理幀前導符+物理幀界定符)8字節(jié)由硬件自動生成。除去這8個字節(jié)，將其余字段的長度加起來，可以得到以太網(wǎng)幀的最大長度為1 518字節(jié)，最小長度則為64字節(jié)；加上8字節(jié)的前同步碼，即可得到最小幀長度為576位。這樣長度的幀能夠保證所有沖突都可以檢測到。這是因為IEEE 802．3標準中，兩個站點的最遠距離小于2 500 m，由4個中繼器連接而成，其沖突窗口為2倍電纜傳播延遲加上4個中繼器的雙向延遲之和，合計為51．2μs。就10 Mbps以太網(wǎng)而言，這個時間段內(nèi)等于發(fā)送64字節(jié)(即512位)的數(shù)據(jù)。

　　使用CSMA／CD作為一種訪問控制方式，意味著最短數(shù)據(jù)幀長度與網(wǎng)絡上最長傳輸延遲時間間隔有著密切的關(guān)系。要保證在發(fā)送過程中出現(xiàn)沖突時，沖突域內(nèi)的所有結(jié)點都應該知道發(fā)生了沖突，以便采取適當?shù)拇胧＿@就需要最短數(shù)據(jù)幀長度必須大于網(wǎng)絡上的最長傳輸延遲時間間隔，再加上阻塞附加時間和同步延遲時間等。這就是IEEE 802．3標準中最短幀長度為64字節(jié)的由來。[4]

　　其中應用層幀類型分為數(shù)據(jù)幀和數(shù)據(jù)確認幀兩種，具體結(jié)構(gòu)如下：

　　由于數(shù)據(jù)幀長度可變，又由于數(shù)據(jù)確認幀的MAC層長度僅為18字節(jié)，故在網(wǎng)絡控制器初始化時須設置MAC層PAD填充功能(即MAC幀長度少于64字節(jié)時，網(wǎng)絡控制器自動將其填充至64字節(jié)后再交給物理層)。

　　自定義數(shù)據(jù)幀的預留管理單元還可以制定一些簡單的控制或管理信息幀，以便更好地擴充功能和組織軟件。限于篇幅，茲不贅述。如想連入Internet，需要在系統(tǒng)中加入一個能夠轉(zhuǎn)換本協(xié)議和TCP／IP協(xié)議的前端網(wǎng)關(guān)(實質(zhì)上是一個交互翻譯的軟件系統(tǒng))。

　　3．4程序設計流程

　　本接口轉(zhuǎn)換器所要實現(xiàn)的功能是把從RS232串口接收到的串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)幀格式發(fā)送到以太網(wǎng)，并把從以太網(wǎng)上接收到的幀數(shù)據(jù)解包轉(zhuǎn)換到串口傳送。程序設計中包含初始化程序、主循環(huán)、串行接口程序和網(wǎng)絡通信接口程序。

　　程序運行首先進行初始化工作，包括初始化CS8900A、初始化串口和初始化一些參數(shù)，然后進入主循環(huán)。主循環(huán)內(nèi)循環(huán)運行CS8900A中斷服務查詢程序和串口緩沖區(qū)查詢程序，若有CS8900A中斷申請，則中斷調(diào)用網(wǎng)絡通信接口程序；若串口緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)，則中斷調(diào)用串行接口程序。流程如圖4所示。

　　(1)串行接口程序

　　串行接口程序是DSP通過16C2550向外部數(shù)據(jù)口進行數(shù)據(jù)接收、發(fā)送的程序，目的是進行數(shù)據(jù)傳輸。此程序包括串口發(fā)送接收程序及數(shù)據(jù)組織程序。發(fā)送和接收通過中斷并發(fā)處理。整個串口發(fā)送程序在主循環(huán)中調(diào)用。其模塊的流程為：

　　發(fā)送 收到網(wǎng)絡串口數(shù)據(jù)→打開數(shù)據(jù)口→中斷發(fā)送；

　　接收 中斷接收→整理串口數(shù)據(jù)→發(fā)送到網(wǎng)絡上去。發(fā)送和接收邏輯流程如圖5所示。

　　(2)網(wǎng)絡通信接口程序

　　網(wǎng)絡接口程序是DSP通過CS8900A對系統(tǒng)的其他單元發(fā)送命令和接收信息的程序，目的是與系統(tǒng)的其他單元通信，接收與發(fā)送數(shù)據(jù)包和信令數(shù)據(jù)包。此程序包括網(wǎng)絡數(shù)據(jù)接收程序、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)發(fā)送程序、數(shù)據(jù)組織程序。發(fā)送與接收服務程序流程如圖6所示。

　　結(jié)語

　　該接口轉(zhuǎn)換器已成功地應用于車內(nèi)的數(shù)字式語音通信系統(tǒng)之中。結(jié)果表明，本方案成功地實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時傳輸，可以給各種應用RS232串口進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)那度胧较到y(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)操作提供接口解決方案。本方案預留了升級擴展的功能。接入PCM編碼器并對程序作出相應改動，可實現(xiàn)語音的數(shù)字化網(wǎng)絡通信；接入A／D轉(zhuǎn)換器和各種傳感器可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)。