一種精簡(jiǎn)可靠的低成本嵌入式以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)

摘要： 本文介紹了基于新型獨(dú)立控制芯片CP2200的以太網(wǎng)通訊接口的軟硬件設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞： CP2200；以太網(wǎng)；C8051F040；TCP/IP

引言

當(dāng)前，嵌入式設(shè)計(jì)人員在為遠(yuǎn)程控制或監(jiān)控設(shè)備提供以太網(wǎng)接入時(shí)，使用的以太網(wǎng)控制器都是專(zhuān)為個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，如RTL8019，DM9008，CS8900A 等。這些器件不僅接口電路復(fù)雜、體積較大，而且比較昂貴。CP2200 是Silabs于近期推出的一款獨(dú)立以太網(wǎng)控制器，它符合IEEE 802.3協(xié)議，支持10M以太網(wǎng)接入，而且僅需要很少的外部電路連線就可滿足絕大多數(shù)嵌入式以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)要求，使得潛入式以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，占板空間大大減小，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本大大降低。
另外,該以太網(wǎng)控制器具有8位并行主機(jī)接口,可以為絕大多數(shù)微控制器或主處理器提供以太網(wǎng)通信功能。8位并行總線接口支持Intel和Motorola總線方式，可以使用復(fù)用或非復(fù)用方式尋址。這些功能加上相關(guān)處理器的TCP/IP協(xié)議棧，使得嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)變得極其簡(jiǎn)易。

硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路示于圖1。CP2200的外圍電路比較簡(jiǎn)單。

圖1  硬件電路

I/O并行接口

CP2200的并行主機(jī)接口，支持Motorola 和 Intel兩種總線方式，且支持地址數(shù)據(jù)復(fù)用和非復(fù)用方式?？梢酝ㄟ^(guò)將MUXEN和MOTEN引腳接地或拉高電平來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)接口總線方式的配置。

以太網(wǎng)變壓器

要實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接口，以太網(wǎng)變壓器是不可缺少的。在差分接收引腳(RX+/RX-)上，需要一個(gè)專(zhuān)用于10BASE-T 操作的1:1 脈沖變壓器。 在差分發(fā)送引腳(TX+/TX-)上，需要外接一個(gè)帶有中心抽頭的1:2.5 脈沖變壓器。變壓器應(yīng)具有2kV 以上的電壓隔離性能，以防止靜電干擾。發(fā)送端需要兩個(gè)8W(精度為1%)的電阻和一個(gè)560pF 的電容與特定端相連，接收端需要一個(gè)100W電阻與特定端相連。

按照CP2200的要求，筆者采用的是PRJ系列的PRJ-010型變壓器。該變壓器集成了RJ-45接頭，在省去了不少連線的同時(shí)也提高了高頻信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴?BR>
其他電路

LINK和ACT引腳輸出電平來(lái)驅(qū)動(dòng)LED，用來(lái)指示網(wǎng)絡(luò)的連接和活動(dòng)狀態(tài)。

所有電源引腳都必須與同一個(gè)外部3.3V 電源相連。類(lèi)似的，所有參考地都應(yīng)在外部連接到相同的接地點(diǎn)。每個(gè)VDD 和VSS 引腳都應(yīng)連接一個(gè)0.1mF 的陶瓷旁路電容，該電容盡可能靠近引腳。

需要特別說(shuō)明的是，驅(qū)動(dòng)雙絞線接口需要相對(duì)高的電流，因此以太網(wǎng)的收發(fā)數(shù)據(jù)線應(yīng)盡可能短，并且線徑適當(dāng)加大以減少電阻損耗(為了保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，筆者的PCB電路板選擇了20mil的線徑)。

軟件設(shè)計(jì)

TCP/IP 協(xié)議種類(lèi)繁多，相互之間交互作用復(fù)雜，在單片機(jī)上不可能實(shí)現(xiàn)所有協(xié)議，所以必須對(duì)協(xié)議棧進(jìn)行剪裁。結(jié)合系統(tǒng)的具體通信要求，筆者的系統(tǒng)最后只保留了TCP、UDP、IP、ICMP、ARP協(xié)議模塊。在協(xié)議棧程序的整體設(shè)計(jì)上，考慮到單片機(jī)的單任務(wù)執(zhí)行方式很難發(fā)揮TCP／IP協(xié)議的特點(diǎn)，我們采用了基于事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制的TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)方法。該機(jī)制的引入，使得系統(tǒng)在保證具有高效的匯編語(yǔ)言代碼效率的同時(shí)，實(shí)時(shí)響應(yīng)性也得到了大幅提高。下面將具體闡述事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制的特點(diǎn)和基于該機(jī)制的TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)。

事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制

系統(tǒng)初始化完成后， 進(jìn)入事件循環(huán)體，不斷查詢(xún)C8051F040的事件隊(duì)列是否有事件。一旦事件隊(duì)列非空，則讀取事件標(biāo)志字，判斷事件類(lèi)型，而后調(diào)用對(duì)應(yīng)事件處理子程序。處理子程序執(zhí)行完畢后，仍然返回到事件循環(huán)體中。事件標(biāo)志字由中斷直接或者間接驅(qū)動(dòng)，當(dāng)某個(gè)事件發(fā)生后，只需在中斷服務(wù)程序中將狀態(tài)字的對(duì)應(yīng)位置位。中斷不斷向事件隊(duì)列中添加事件，C8051F040處理程序則不停地從事件隊(duì)列中讀取事件標(biāo)志字，處理事件。

事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制的特點(diǎn)為：

*由于在中斷處理程序中，僅僅執(zhí)行了改變事件標(biāo)志字這樣的簡(jiǎn)單程序語(yǔ)句，把事件添加到C8051F040的事件隊(duì)列中后就立即返回。所以系統(tǒng)關(guān)閉中斷的時(shí)間很短。增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)中斷處理的實(shí)時(shí)性。

*C8051F040根據(jù)當(dāng)前讀取的事件，進(jìn)行相應(yīng)事件處理或者向事件隊(duì)列中添加進(jìn)一步處理所需的事件。這實(shí)際上是把任務(wù)都進(jìn)行了分步處理，在執(zhí)行一步這一任務(wù)的同時(shí)，也可以執(zhí)行一步其他任務(wù)。這樣．在不影響主程序流程的情況下，又提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

事件循環(huán)的簡(jiǎn)要流程

圖注：1=EVENT_ETH_ARRIVED；2=EVENT_TCP_RETRAN；3=EVENT_TCP_INACTIVITY；4=EVENT_ARP_RETRAN；5=EVENT_AGE_ARP_CACHE；6=EVENT_COME_NEWDATA；
圖2  事件循環(huán)流程

事件循環(huán)體的簡(jiǎn)要流程如圖2所示,其中各事件的含義分別為:

EVENT_ETH_ARRIVED: 有待處理的以太網(wǎng)幀事件。檢測(cè)到此事件，C8051F040會(huì)調(diào)用讀CP2200接受緩沖區(qū)程序，然后對(duì)幀進(jìn)行解包處理；

EVENT_TCP_RETRAN: TCP重傳事件。當(dāng)TCP定時(shí)器超時(shí)，觸發(fā)該事件；

EVENT_TCP_INACTIVITY：關(guān)斷不活動(dòng)連接事件。當(dāng)某連接超過(guò)0.5秒沒(méi)有收發(fā)數(shù)據(jù)，則觸發(fā)此事件；
EVENT_ARP_RETRAN：ARP請(qǐng)求數(shù)據(jù)包重傳事件。當(dāng)某一ARP請(qǐng)求在發(fā)出0.5秒后沒(méi)有相應(yīng)，則觸發(fā)該事件。經(jīng)兩次重發(fā)都沒(méi)回應(yīng)，則將以該IP為目的地址的數(shù)據(jù)包丟棄；

EVENT_AGE_ARP_CACHE：更新ARP緩存事件。每60秒觸發(fā)該事件一次；

EVENT_COME_NEWDATA： 有新數(shù)據(jù)事件。當(dāng)有新數(shù)據(jù)待發(fā)送時(shí)，觸發(fā)該事件；

結(jié)語(yǔ)

CP2200的多種集成功能如CRC校驗(yàn)，數(shù)據(jù)濾波等有效地減輕了單片機(jī)的載荷，它內(nèi)部的收發(fā)接口單元操作起來(lái)靈活方便，為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包提供了有效的緩沖。芯片具有穩(wěn)定的工作性能和抗干擾抗震性能，筆者利用CP2200， C8051F040單片機(jī)和TCP/IP協(xié)議棧開(kāi)發(fā)出了用于鐵路機(jī)車(chē)的以太網(wǎng)通訊接口板卡。此板卡已在測(cè)試機(jī)車(chē)上運(yùn)行，工作性能良好，能夠進(jìn)行穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳遞。

參考文獻(xiàn)：
1. Silicon Laboratories Inc.  CP2200 datasheet.  http://www.silabs.com/
2. Silicon Semiconductor Inc. c8051f040 datasheet. http://www.silabs.com/
3. Special Edition Using TCP/IP,Ramadas Shanmugam ,R.Padmini,S.Nivedita 尹浩瓊  李劍譯  電子工業(yè)出版社
4. 《TCP/IP祥解  卷2 實(shí)現(xiàn)》W.Richard Stevens http://www.china.pub.com/