一種精簡可靠的低成本嵌入式以太網接口設計

摘要： 本文介紹了基于新型獨立控制芯片CP2200的以太網通訊接口的軟硬件設計方法。

關鍵詞： CP2200；以太網；C8051F040；TCP/IP

引言

當前，嵌入式設計人員在為遠程控制或監控設備提供以太網接入時，使用的以太網控制器都是專為個人計算機系統設計的，如RTL8019、DM9008、CS8900A 等。這些器件不僅接口電路復雜、體積較大，而且比較昂貴。CP2200 是Silabs于近期推出的一款獨立以太網控制器，它符合IEEE 802.3協議，支持10M以太網接入，而且僅需要很少的外部電路連線就可滿足絕大多數嵌入式以太網接口的設計要求，使得嵌入式以太網接口的設計大大簡化，占板空間大大減小，系統開發成本大大降低。
另外,該以太網控制器具有8位并行主機接口,可以為絕大多數微控制器或主處理器提供以太網通信功能。8位并行總線接口支持Intel和Motorola總線方式，可以使用復用或非復用方式尋址。這些功能加上相關處理器的TCP/IP協議棧，使得嵌入式應用系統的以太網接口實現變得極其簡易。

硬件電路設計

系統的硬件電路示于圖1。CP2200的外圍電路比較簡單。

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。可以通過將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。

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議，所以必須對協議棧進行剪裁。結合系統的具體通信要求，筆者的系統最后只保留了TCP、UDP、IP、ICMP、ARP協議模塊。在協議棧程序的整體設計上，考慮到單片機的單任務執行方式很難發揮TCP／IP協議的特點，我們采用了基于事件驅動機制的TCP/IP協議棧的實現方法。該機制的引入，使得系統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協議棧的實現。

事件驅動機制

系統初始化完成后， 進入事件循環體，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。處理子程序執行完畢后，仍然返回到事件循環體中。事件標志字由中斷直接或者間接驅動，當某個事件發生后，只需在中斷服務程序中將狀態字的對應位置位。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。所以系統關閉中斷的時間很短。增強了系統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，在執行一步這一任務的同時，也可以執行一步其他任務。這樣．在不影響主程序流程的情況下，又提高了系統的實時性。

事件循環的流程

事件循環體的簡要流程如圖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，觸發該事件。

EVENT_TCP_I NACTIVITY：關斷不活動連接事件。當某連接超過0.5秒沒有收發數據，則觸發此事件。

EVENT_ARP_RETRAN：ARP請求數據包重傳事件。當某一ARP請求在發出0.5秒后沒有相應，則觸發該事件。經兩次重發都沒回應，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秒觸發該事件一次。

EVENT_COME_NEWDATA： 有新數據事件。當有新數據待發送時，觸發該事件。

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協議棧開發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，能夠進行穩定的數據傳遞。

參考文獻：
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  電子工業出版社
4. 《TCP/IP詳解  卷2 實現》W.Richard Stevens http://www.china.pub.com/