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1 引言 目前，以太網(wǎng)（ethernet）協(xié)議已經(jīng)非常廣泛地應(yīng)用于各種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，如辦公局域網(wǎng)、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)等場合，并且還不斷地發(fā)展。基于以太網(wǎng)的新技術(shù)和聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不斷出現(xiàn)，以太網(wǎng)已經(jīng)成為事實(shí)上最常用的局域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)之一。但是，基于以太網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)目前并不是很多。其原因除了嵌入式系統(tǒng)本身運(yùn)行速度較慢、資源較少且不足以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的各種協(xié)議外，更重要是設(shè)計(jì)以太網(wǎng)的接口及協(xié)議相對比較復(fù)雜，使人望而卻步。本文將研討基于c8051f系列單片機(jī)系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)與10mbps以太網(wǎng)控制器芯片rtl8019as的接口電路實(shí)現(xiàn)及編程方法。 2 嵌入式以太網(wǎng)接口分析 2.1 接口組成 8位mcu的嵌入式設(shè)備通過以太網(wǎng)接口，將8位mcu采集的數(shù)據(jù)信息，傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。在這個(gè)過程中需要處理網(wǎng)絡(luò)接口、接收數(shù)據(jù)的分析、發(fā)送數(shù)據(jù)段的封裝等問題。 以10baset以太網(wǎng)為例，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)該做的工作是首先對需要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行曼切斯特編碼，然后對編碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，使其發(fā)送的數(shù)據(jù)適合10baset的以太網(wǎng)傳輸，最后把處理好的數(shù)據(jù)以適當(dāng)?shù)乃俣劝l(fā)送到以太網(wǎng)。同時(shí)為了保證數(shù)據(jù)的有效性，系統(tǒng)還應(yīng)具有沖突檢測和重發(fā)功能。在這個(gè)過程中，直接用8位mcu來實(shí)現(xiàn)該功能非常困難。解決的方法是用專門的網(wǎng)絡(luò)接口芯片nic網(wǎng)絡(luò)接口卡（nic-network interface card）來實(shí)現(xiàn)，這類芯片遵循ieee802.3所規(guī)定的csma/cd協(xié)議，除了提供物理鏈路所需的電氣性能外，還提供曼切斯特編碼、沖突檢測和重發(fā)功能，可以用很少的外圍電路一起完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能。這樣，8位mcu只需要nic芯片提供初始配置和數(shù)據(jù)接口，這對于8位mcu是沒有問題的。基于以上的分析，8位mcu的嵌入式設(shè)備以太網(wǎng)接口部分構(gòu)成如圖1所示: 圖1 嵌入式設(shè)備以太網(wǎng)接口組成 2.2 以太網(wǎng)控制芯片——rtl8019as （1） rtl8019as的主要性能 l 符合以太網(wǎng)ii與ieee802.3（10base5、10base2、10baset）標(biāo)準(zhǔn); l 全雙工，收發(fā)可同時(shí)達(dá)到10mbit/s的速率; l 內(nèi)置16kb的sram，用于收發(fā)緩沖，降低對主處理器的速度要求; l 支持8/16位數(shù)據(jù)總線，8個(gè)中斷申請線以及16個(gè)i/o基地址選擇; l 支持utp、aui、bnc自動檢測，還支持對10baset拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自動極性修正; l 允許4個(gè)診斷l(xiāng)ed引腳可編程輸出; l 采用cmos工藝，功耗低。單一電源5v供電。 （2） rtl8019as的內(nèi)部結(jié)構(gòu) rtl8019as芯片內(nèi)部包含遠(yuǎn)程dma（直接存儲器存取）接口、本地dma接口、mac（介質(zhì)訪問控制）邏輯、數(shù)據(jù)編碼解碼邏輯和其它接口。這里的dma與平時(shí)所說的dma有些不同:rtl8019as芯片的本地dma操作是由控制器本身完成;而遠(yuǎn)程dma并不是在沒有主處理器的參與下數(shù)據(jù)能自動移到主處理器的內(nèi)存中，它指主處理器給出起址和長度就可以讀寫芯片的ram緩沖區(qū)，每操作一次ram地址自動加1，而普通ram操作每次要先發(fā)地址再處理數(shù)據(jù)，速度較慢。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。 3 嵌入式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)計(jì)方案 3.1 電路原理設(shè)計(jì) c8051f020是美國cygnal公司推出的一種混合信號soc型8位單片機(jī)，它是一種完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與8051兼容的微控制器內(nèi)核，與mcs-51指令集完全兼容。內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu)，機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期降為1個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，70%指令的執(zhí)行時(shí)間為1個(gè)或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，處理能力大大提高，峰值性能可達(dá)25mips。 同時(shí)，除具有標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件外，c8051- f020片內(nèi)還集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集、控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬、數(shù)字外設(shè)及其他功能部件。這些外設(shè)或功能部件包括:用于多種模擬信號的模擬多路選擇器、真正12位轉(zhuǎn)換精度的adc，還有能滿足特殊功能所需的smbus（i2c兼容）、uart、spi、多個(gè)多功能計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、以及看門狗定時(shí)器（wdt）和電源監(jiān)視器等數(shù)字外設(shè)。 c8051f020具有100腳的tqfp封裝，功耗低，供電電壓為2.7～3.3v，全部i/o、rst、jtag引腳均耐5v電壓。其mcu具有p0～p7共64個(gè)通用i/o端口，每個(gè)端口引腳都可以被配置為推挽輸出或漏級開路輸出。對于rtl8019as，由于其工作電壓是5v，而c8051f020的工作電壓是3.3v，所以要c8051f020的輸出能更好地驅(qū)動5v輸入的oled，需要對系統(tǒng)進(jìn)行額外配置。除了將對應(yīng)端口的輸出方式設(shè)置為“漏極開路”外，還應(yīng)在電路上將每個(gè)端口通過一個(gè)上拉電阻接到5v電源，這樣可以保證c8051f020的邏輯“1”輸出能夠被提升到5v。 單片機(jī)采用c8051f020芯片，以查詢工作方式不斷讀取rtl8019as狀態(tài)寄存器。以遠(yuǎn)程dma方式發(fā)送或讀取rtl8019as的數(shù)據(jù)。詳見圖3。 由于網(wǎng)絡(luò)控制器具有 ethernet（ieee802.3）協(xié)議處理功能，系統(tǒng)便可直接rj45連接到以太網(wǎng)（再通過以太網(wǎng)接入 internet）。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中選用的rj45連接器為lf1s022，它已經(jīng)具有電平轉(zhuǎn)換功能，簡化了 pcb設(shè)計(jì)。值得注意的是，設(shè)計(jì)pcb時(shí)，rj45連接器不能與cpu和網(wǎng)絡(luò)芯片相距太遠(yuǎn)，以免對數(shù)據(jù)傳輸造成影響。 rtl8019as的tpin+（59腳）, tpin-（58腳）腳是tp 的一對輸入腳，能以10mbits/s 的速率從雙絞線接收差分曼徹斯特編碼的數(shù)據(jù)。tpout+（45腳）、tpout-（46腳）是一對曼徹斯特編碼的差分tp輸出信號。為了防止雙絞線超載，該輸出信號會被提前中斷，這樣可以減少擁塞。連接時(shí)，這四個(gè)管腳分別接到 lf1s022的7、6、5、4腳。連接器的其他管腳都通過一個(gè)電容與地連接。最后，還必須在50、51腳之間接入一個(gè)20mhz的晶體振蕩器。 圖3中擴(kuò)展的rj45口接入互聯(lián)網(wǎng)，rtl8019as通過本地dma方式將接收到的數(shù)據(jù)送到片內(nèi)sram，或者從片內(nèi)sram讀取數(shù)據(jù)從rj45口發(fā)送出去。 網(wǎng)卡的復(fù)位信號rstdrv由單片機(jī)的p5.2產(chǎn)生，rstdrv為高電平有效，至少需要800ns的寬度。由p5.2引腳產(chǎn)生一個(gè)1μs以上的高電平就可以使rtl- 8019as芯片復(fù)位。 rstdrv從高電平到低電平之后要等多久，單片機(jī)才可以對網(wǎng)卡進(jìn)行操作？復(fù)位的過程將執(zhí)行一些操作，比如將內(nèi)部寄存器初始化等。這些至少需要2ms的時(shí)間。為確保完全復(fù)位，應(yīng)該等待更久的時(shí)間之后才對網(wǎng)卡操作，比如100ms之后才對它操作。 對rstdrv可以接單片機(jī)的一個(gè)i/o口線進(jìn)行網(wǎng)卡的復(fù)位，也可以直接將rstdrv跟單片機(jī)的reset引腳并聯(lián)，單片機(jī)復(fù)位的時(shí)候，網(wǎng)卡也復(fù)位，以減少一個(gè)單片機(jī)的引腳使用。 3.2 網(wǎng)卡的初始化 網(wǎng)卡在能夠正常工作以前，必須先對其進(jìn)行初始化，一般帶有操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上，網(wǎng)卡的初始化由其驅(qū)動程序完成。此例中由于c8051f020單片機(jī)是全裸機(jī)（不含驅(qū)動程序），不僅需要用戶自己完成網(wǎng)卡的初始化，還需要用戶自己設(shè)置網(wǎng)卡的mac（介質(zhì)訪問控制）地址以及對網(wǎng)卡進(jìn)行讀寫訪問。 初始化需要設(shè)置頁0與頁1的相關(guān)寄存器，頁2的寄存器是只讀的，不可以設(shè)置，頁3的寄存器不是ne2000兼容的，不用設(shè)置。需初始化的寄存器包括cr、dcr、pbcr、pstart、pstop、isr、imr、par0～par5、mar0～mar7、curr、tcr、rcr等寄存器。初始化函數(shù)主要要完成以下諸項(xiàng)工作。 （1） 調(diào)用復(fù)位子程序隊(duì)rtl8019as進(jìn)行復(fù)位。有兩種復(fù)位方式:一是硬件復(fù)位，通過拉高拉低reset引腳達(dá)到復(fù)位rtl8019as的目的;二是軟件復(fù)位，向if端口讀寫數(shù)據(jù)從而使rtl8019as復(fù)位。 （2） 向命令寄存器cr寫入0x21h使rtl8019as處于停止模式，設(shè)置寄存器。 （3） 設(shè)置數(shù)據(jù)配置寄存器dcr為使用fifo緩存、普通模式、8位數(shù)據(jù)傳輸模式，字節(jié)順序?yàn)楦呶蛔止?jié)在前，低位字節(jié)在后。設(shè)置rbcr0、rbcr1寄存器為0，即讀取ram字節(jié)數(shù)。 （4） 設(shè)置接收和發(fā)送緩沖區(qū)起止地址。pstart接收緩沖區(qū)的起始頁地址0x46;pstop接收緩沖區(qū)的結(jié)束頁地址0x80;bnry指向最后一個(gè)已經(jīng)讀取頁的指針0x46;tpsr發(fā)送頁的起始地址0x40;curr芯片寫內(nèi)存指針，它指向當(dāng)前正在寫的頁的下一個(gè)頁，即初始化時(shí)指向0x47。 （5） 設(shè)置rcr接收配置寄存器為0xcc，使用接收緩沖區(qū)，僅接收自己的地址的數(shù)據(jù)包（以及廣播地址數(shù)據(jù)包）和多點(diǎn)播送地址包，小于64字節(jié)的包丟棄，校驗(yàn)錯的數(shù)據(jù)包不接收。設(shè)置tcr發(fā)送配置寄存器為0xe0，啟用crc自動生成和自動校驗(yàn)，工作在正常模式。 （6） 設(shè)置mar0～mar8為0，清除多播地址寄存器;設(shè)置isr為0xff，清除中斷狀態(tài)寄存器;設(shè)置中斷屏蔽寄存器imr為0，屏蔽所有中斷請求。 （7） 將物理地址寫入par0～5物理地址寄存器。 （8） 最后設(shè)置tcr發(fā)送配置寄存器為0xe0;設(shè)置命令寄存器cr為0x22，芯片進(jìn)入正常工作狀態(tài)，rtl8019as初始化完成。 初始化時(shí)，必需指明嵌入式設(shè)備的48位硬件地址和廣播地址，并正確設(shè)置它的ip地址、子網(wǎng)掩碼和默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。工業(yè)控制一般都在一個(gè)同級局域網(wǎng)內(nèi)部進(jìn)行，因此可以直接令網(wǎng)關(guān)的ip地址為0。其主控制流程如圖4所示。 4 結(jié)束語 本文分析了嵌入式設(shè)備與以太網(wǎng)接口的組成，簡要介紹了rtl8019as和c8019f芯片，并給出了嵌入式mcu與以太網(wǎng)控制芯片的硬件連接及其軟件設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)以數(shù)據(jù)采集為例的，在工業(yè)生產(chǎn)中有很大的現(xiàn)實(shí)意義。 |
