一種低功耗以太網(wǎng)接口電路的設(shè)計方案

0 引言

隨著以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的日益普及，工業(yè)現(xiàn)場的儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和控制設(shè)備以及家庭電器設(shè)備也日趨網(wǎng)絡(luò)化，各種網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)備對以太網(wǎng)接口技術(shù)的要求也越來越高。在進行以太網(wǎng)接口電路設(shè)計時，很多應(yīng)用場合尤其是手持式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要考慮低功耗設(shè)計，加之近年來Multimedia SoC有向封裝小型化發(fā)展的趨勢，減少芯片引腳數(shù)目的最佳方法即是采用串行接口，通常是采用SPI接口，這就要求選用合適的以太網(wǎng)控制器芯片。Asix 電子的以太網(wǎng)控制器AX88796C 不但具備低功耗的特性，而且支持SPI總線及Non-PCI總線，可兼容多種微處理器。

1 低功耗以太網(wǎng)控制芯片AX88796C

AX88796C 是一款針對嵌入式及工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)控制芯片，功耗低、引腳數(shù)少，并支持可變I/O工作電壓的SPI或Non-PCI接口。AX88796C 采用符合業(yè)界標準的8/16 位類SRAM 或地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用接口，可與各類常用或高階的微控制器直接相連，而無須添加任何外部邏輯線路。此外，AX88796C 還針對具備SPI主機側(cè)接口的微處理器，提供一組可選的SPI 從機接口來簡化硬件連接。AX88796C 內(nèi)置符合IEEE 802.3/IEEE 802.3u規(guī)范的10/100M 以太網(wǎng)物理層(PHY)及媒體訪問控制器(MAC)，集成14 KB SRAM 網(wǎng)絡(luò)封包緩沖，以高效率的方式進行封包的儲存、檢索與修改。

AX88796C還具備先進的電源管理、高性能封包傳輸模式、IPv4/IPv6 封包校驗和承載引擎、IEEE 802.3x 背壓流量控制及線纜交叉自適應(yīng)(HP Auto-MDIX)等特性。AX88796C支持兩種工作溫度范圍，包括商業(yè)規(guī)格0~70 ℃以及工業(yè)規(guī)格-40~85 ℃，僅64引腳的小封裝尺寸可大幅減少所需PCB 空間。在應(yīng)用方面，AX88796C的驅(qū)動程序非常易于編制，工程師可容易且快速地將其移植到各類嵌入式系統(tǒng)中。

1.1 AX88796C的特性

1.1.1 具備高性能Non-PCI接口

AX88796C 支持8/16 b 類SRAM 主機側(cè)接口，容易與常見的嵌入式MCU 如MCS-51 系列、Renesas 系列等常用微處理器直接連接。

在類SRAM 主機側(cè)接口上支持Slave-DMA機制以減少CPU 的負荷并支持突發(fā)數(shù)據(jù)讀寫模式，以滿足高性能的應(yīng)用需求。

I/O 接口支持可變工作電壓(1.8/2.5/3.3 V)和可編程電流驅(qū)動能力(4/8 mA)。

AX88796C配備了可編程定時器的中斷引腳。

1.1.2 具備高性能SPI接口

針對具備SPI 主機側(cè)接口的CPU,可通過SPI 從接口接入。其支持SPI 計時模式0 和3,最高時鐘頻率40 MHz,支持可變工作電壓及可編程驅(qū)動能力。

AX88796C支持可選的Ready信號，用于SPI封包收發(fā)流量控制。

1.1.3 集成單芯片快速以太網(wǎng)MAC/PHY 控制器

AX88796C內(nèi)置14 KB的SRAM用于封包緩沖。提供IPv4/IPv6封包校驗和承載引擎，以減輕CPU的負荷，支持IPv4 IP/TCP/UDP/ICMP/IGMP、IPv6 TCP/UDP/IC-MPv6 封包校驗和的產(chǎn)生和核對。

AX88796C 支持VLAN 匹配過濾。集成10BASE-T/100BASE-TX(雙絞線模式)快速以太網(wǎng)MAC/PHY 收發(fā)器，兼容IEEE 802.3/802.3u規(guī)范。支持交叉線自動偵測及切換(HP Auto-MDIX)。在全雙工模式下支持IEEE802.3x流量控制，半雙工模式下支持背壓流量控制。支持自動輪詢PHY狀態(tài)。支持10/100 Mb/s N-way自動協(xié)商機制。

1.1.4 具備先進的電源管理功能

AX88796C 支持動態(tài)電源管理以節(jié)省在空載或低負載狀況下的功耗。支持極低功耗下等待網(wǎng)絡(luò)遠程喚醒的睡眠模式。喚醒事件包括網(wǎng)絡(luò)鏈接狀態(tài)變動、收到Magic封包、收到Microsoft Wakeup封包或通用I/O 引腳觸發(fā)。支持Protocol Offload(ARP & NS)，用于Win-dows 7 網(wǎng)絡(luò)電源管理。在WOL 模式及Remote WakeupReady模式下，支持完整的I/O引腳隔離，以減少non-PCI和SPI接口上的漏電流。

AX88796C 除具備以上特性外，還可選外接E2PROM,以儲存MAC地址;支持四個通用I/O引腳，其中兩個支持Wake-On-LAN ;可提供可編程LED引腳，用于顯示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，支持可變I/O工作電壓和可編程的電流驅(qū)動能力;集成電壓轉(zhuǎn)換器、25 MHz晶體振蕩電路和上電復(fù)位電路;在采用25 MHz 晶振時可提供多種時鐘(25 MHz、50 MHz或100 MHz)輸出，也可支持外部時鐘輸入(25 MHz)。

1.2 AX88796C的結(jié)構(gòu)及接口

AX88796C內(nèi)部組成框圖如圖1所示。

從圖1中可以看出，以太網(wǎng)控制芯片AX88796C 除集成了常見的網(wǎng)絡(luò)相關(guān)組件外，還集成了與處理器連接的總線復(fù)用器及與E2PROM 連接的E2PROM 等接口，總線復(fù)用器通過SA0-4、SD0-15、CSn、WRn、RDn、IRQ等端口連接SPI總線及本地局部總線，E2PROM接口通過EE-DIO、EECS、EECK 等端口與外部E2PROM 相連;與網(wǎng)絡(luò)相連相關(guān)的端口為TPO+、TPO-、TPI+、TPI-等，該端口支持交叉線自動偵測及切換(HP Auto-MDIX)的功能。[!--empirenews.page--]

2 接口電路的設(shè)計

AX88796C支持可變I/O工作電壓的SPI或Non-PCI接口，可以靈活選用不同的微處理器進行以太網(wǎng)接口的電路設(shè)計。

2.1 采用Non-PCI總線的接口電路

采用Non-PCI總線的以太網(wǎng)接口電路如圖2所示，微處理器與AX88796C 采用8 位或16 位Local Bus 或Non-PCI總線連接;而網(wǎng)絡(luò)接口一側(cè)，AX88796C通過分離阻容電路與網(wǎng)絡(luò)變壓器連接，最后通過RJ-45接口連接至以太網(wǎng)。

2.2 采用SPI總線的接口電路

采用SPI總線的以太網(wǎng)接口電路如圖3所示，微處理器與AX88796C 采用SPI 總線連接，AX88796C 使用SPI CLK、SSn、MOSI、MISO、IRQ 等端口與微處理器連接，其中SPI CLK、MOSI、MISO 三個端口復(fù)用后結(jié)合CSn 端口連接串行接口閃存;而網(wǎng)絡(luò)接口一側(cè)，AX88796C依然通過分離阻容電路與網(wǎng)絡(luò)變壓器連接，最后通過RJ-45接口連接至以太網(wǎng)。

2.3 方案設(shè)計中的注意事項

(1)AX88796C 內(nèi)嵌的以太網(wǎng)PHY 可以與1CT:1CT 匝數(shù)比的網(wǎng)絡(luò)變壓器配合，如帛漢LU1S041X LF(匝數(shù)比1CT:1CT,雙絞線交叉自適應(yīng))工業(yè)級網(wǎng)絡(luò)變壓器。

(2)AX88796C支持16 b的E2PROM,可選用93C56/93C66,同時AX88796C支持多種電壓(3.3 V/2.5 V/1.8 V)IO,在使用E2PROM時需要合理選擇。

(3)AX88796C 外接晶體后其振蕩頻率要求滿足25 MHz+50 ppm,若超出該范圍，可通過微調(diào)晶體旁的電容值進行修正。

(4)在使用AX88796C進行嵌入式以太網(wǎng)接口電路時，其PCB 電路板至少要采用4層板設(shè)計，這樣做可以有效地降低潛在的EMI電磁干擾。

3 結(jié)語

本文以以太網(wǎng)控制芯片AX88796C為核心，提出一種以太網(wǎng)接口電路的設(shè)計方案，通過靈活的總線連接方式可兼容多種的微處理器，相對于AX88796L、AX88796及AX88796B具有低功耗等特性，可廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)家電、大樓/家庭自動化、工業(yè)控制、安防系統(tǒng)、遠程監(jiān)控管理等領(lǐng)域，如POS終端機、RFID 讀卡器、多功能打印機、網(wǎng)絡(luò)攝影機、IP 語音、IP 機上盒、數(shù)字錄放機、DVD錄放機、數(shù)字媒體轉(zhuǎn)接器及IP電視。