一種精簡可靠的低成本嵌入式以太網接口設計

                                                      圖1  硬件電路

I/O并行接口

CP2200的并行主機接口，支持Motorola 和 Intel兩種總線方式，且支持地址數據復用和非復用方式?？梢酝ㄟ^將MUXEN和MOTEN引腳接地或拉高電平來實現對主機接口總線方式的配置。

以太網變壓器

要實現以太網接口，以太網變壓器是不可缺少的。在差分接收引腳(RX+/RX-)上，需要一個專用于10BASE-T 操作的1:1 脈沖變壓器。 在差分發(fā)送引腳(TX+/TX-)上，需要外接一個帶有中心抽頭的1:2.5 脈沖變壓器。變壓器應具有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8W(精度為1%)的電阻和一個560pF 的電容與特定端相連，接收端需要一個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也提高了高頻信號傳輸的可靠性。

其他電路

LINK和ACT引腳輸出電平來驅動LED，用來指示網絡的連接和活動狀態(tài)。

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

需要特別說明的是，驅動雙絞線接口需要相對高的電流，因此以太網的收發(fā)數據線應盡可能短，并且線徑適當加大以減少電阻損耗(為了保證數據的可靠傳輸，筆者的PCB電路板選擇了20mil的線徑)。

軟件設計

TCP/IP 協(xié)議種類繁多，相互之間交互作用復雜，在單片機上不可能實現所有協(xié)議，所以必須對協(xié)議棧進行剪裁。結合系統(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)議棧程序的整體設計上，考慮到單片機的單任務執(zhí)行方式很難發(fā)揮TCP／IP協(xié)議的特點，我們采用了基于事件驅動機制的TCP/IP協(xié)議棧的實現方法。該機制的引入，使得系統(tǒng)在保證具有高效的匯編語言代碼效率的同時，實時響應性也得到了大幅提高。下面將具體闡述事件驅動機制的特點和基于該機制的TCP/IP協(xié)議棧的實現。

事件驅動機制

系統(tǒng)初始化完成后， 進入事件循環(huán)體，不斷查詢C8051F040的事件隊列是否有事件。一旦事件隊列非空，則讀取事件標志字，判斷事件類型，而后調用對應事件處理子程序。處理子程序執(zhí)行完畢后，仍然返回到事件循環(huán)體中。事件標志字由中斷直接或者間接驅動，當某個事件發(fā)生后，只需在中斷服務程序中將狀態(tài)字的對應位置位。中斷不斷向事件隊列中添加事件，C8051F040處理程序則不停地從事件隊列中讀取事件標志字，處理事件。

事件驅動機制的特點為：

*由于在中斷處理程序中，僅僅執(zhí)行了改變事件標志字這樣的簡單程序語句，把事件添加到C8051F040的事件隊列中后就立即返回。所以系統(tǒng)關閉中斷的時間很短。增強了系統(tǒng)對中斷處理的實時性。

*C8051F040根據當前讀取的事件，進行相應事件處理或者向事件隊列中添加進一步處理所需的事件。這實際上是把任務都進行了分步處理，在執(zhí)行一步這一任務的同時，也可以執(zhí)行一步其他任務。這樣．在不影響主程序流程的情況下，又提高了系統(tǒng)的實時性。

事件循環(huán)的簡要流程

                                                圖2  事件循環(huán)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；
               

事件循環(huán)體的簡要流程如圖2所示,其中各事件的含義分別為:

EVENT_ETH_ARRIVED: 有待處理的以太網幀事件。檢測到此事件，C8051F040會調用讀CP2200接受緩沖區(qū)程序，然后對幀進行解包處理；

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

EVENT_TCP_INACTIVITY：關斷不活動連接事件。當某連接超過0.5秒沒有收發(fā)數據，則觸發(fā)此事件；
EVENT_ARP_RETRAN：ARP請求數據包重傳事件。當某一ARP請求在發(fā)出0.5秒后沒有相應，則觸發(fā)該事件。經兩次重發(fā)都沒回應，則將以該IP為目的地址的數據包丟棄；

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： 有新數據事件。當有新數據待發(fā)送時，觸發(fā)該事件；

結語

CP2200的多種集成功能如CRC校驗，數據濾波等有效地減輕了單片機的載荷，它內部的收發(fā)接口單元操作起來靈活方便，為以太網數據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單片機和TCP/IP協(xié)議棧開發(fā)出了用于鐵路機車的以太網通訊接口板卡。此板卡已在測試機車上運行，工作性能良好，能夠進行穩(wěn)定的數據傳遞。