基于CP2200的嵌入式以太網(wǎng)接口設(shè)計

由于嵌入式技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，以太網(wǎng)接口在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，以太網(wǎng)接口不僅通信速度快，傳輸可靠，使用和配置方便，而且不受地域限制(廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)均可)。但通常使用的以太網(wǎng)控制器如RTL8019、DM9008、AX88796L CS8900A 、LAN91C111等都是為個人專用計算機系統(tǒng)設(shè)計的，這些器件不僅接口電路復(fù)雜，體積厚度較大，而且比較昂貴。Silabs(Silicon Laboratories)公司的獨立單芯片以太網(wǎng)控制器CP2200是工業(yè)界體積最小、性能最高的單芯片10BASE-T以太網(wǎng)控制器, CP2200可以為具有11個以上端口I/O引腳的任何微控制器或主處理器增加以太網(wǎng)通信功能【1】。

本文使用通用型單片機C8051F020、以太網(wǎng)控制CP2200和經(jīng)過自行裁剪的TCP/IP協(xié)議棧，構(gòu)成了嵌入式系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口。

1. 微控制器C8051F020

C8051F020[2]是美國Silabs公司推出的C8051F系列單片機中的通用型單片機。 C8051系列是片上系統(tǒng)(SOC)單片機。片上系統(tǒng)(SOC)是把計算機常用的一些數(shù)字和模擬外設(shè)等全部都做在一塊芯片上，使它成為一個完整的模擬數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，這使得以8051為內(nèi)核的單片機上了一個新的臺階。

C8051F020是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，100腳TQFP(Thin Quad Flat Packeage)封裝，MCU可在工業(yè)溫度范圍(-45℃到+85℃)內(nèi)工作，具有高速、流水線結(jié)構(gòu),與8051的微控制器內(nèi)核CIP-51兼容。

2. 以太網(wǎng)控制器CP2200【1】

CP2200是Silabs(Silicon Laboratories)公司于近期推出的一款針對工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)控制器，集成了IEEE 802.3以太網(wǎng)媒體訪問控制器(MAC)、10Base-T物理層(PHY)和8KB非易失性FLASH存儲器的單芯片以太網(wǎng)控制[1]器。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。

CP2200有28腳QFN和48腳TQFP兩種封裝。28腳QFN封裝只支持復(fù)用方式尋址。有方式選擇引腳，用于選擇總線接口方式。

CP2200有8KB片內(nèi)FLASH存儲器，可用于存儲用戶常數(shù)、Web服務(wù)器內(nèi)容或作為通用非易失性存儲器。FLASH存儲器的最后6個存儲單元是工廠預(yù)編程的唯一48位MAC地址，這樣可以從大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的生產(chǎn)過程中消除必不可少的序列化步驟。

CP2200完全兼容100/1000 BASE-T網(wǎng)絡(luò)，可以工作在全雙工或半雙工模式，自適應(yīng)，能進行自動極性檢測和糾正，具有碰撞自動重發(fā)功能，能自動填充和生成CRC，支持廣播和多播MAC尋址。工作的溫度范圍在-40°C到+85°C 之間。

3. 以太網(wǎng)接口硬件設(shè)計

在嵌入式系統(tǒng)中，擴展以太網(wǎng)接口，通常有下面兩種方法【3】：

1.以太網(wǎng)接口由不帶網(wǎng)絡(luò)接口控制器的嵌入式處理器和以太網(wǎng)接口芯片組成。以太網(wǎng)接口芯片和嵌入式處理器通過總線相連。此方法通用性強，不受處理器的限制，但由于處理器和網(wǎng)絡(luò)通過外部總線交換數(shù)據(jù)，速度慢。

2.選擇帶有以太網(wǎng)接口的嵌入式處理器。這種方法要求嵌入式處理器有通用的網(wǎng)絡(luò)接口控制器。處理器和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換通過內(nèi)部總線，速度快。

這里選用前一種方法來實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口，其主要由C8051F020單片機和單芯片以太網(wǎng)控制器CP2200構(gòu)成，如圖2所示,單片機控制數(shù)據(jù)采集和傳輸，以太網(wǎng)控制器CP2200負責(zé)將數(shù)據(jù)發(fā)送到因特網(wǎng)或從網(wǎng)絡(luò)上接收數(shù)據(jù)包。

本以太網(wǎng)接口單元是中國民航總局科技基金項目“機場噪聲自動監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯颗c實現(xiàn)”中 Internet接入設(shè)備的重要組成部分。Internet接入設(shè)備的主要功能是將噪聲數(shù)據(jù)傳送到Internet局域網(wǎng)上。單片機將從現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)控制器芯片發(fā)送到Internet上，以太網(wǎng)服務(wù)器端接收該數(shù)據(jù)包.服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)的流向與之相反，來自服務(wù)器的以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)，通過RJ45接口送到以太網(wǎng)控制器，處理后的數(shù)據(jù)包再送入單片機協(xié)議棧。

這里使用的是48引腳的CP2200，這樣可以不用工作在復(fù)用模式。單片機C8051F020與以太網(wǎng)控制器CP2200采用并口相連接，CP2200有一個8位的并行主機接口用于訪問該設(shè)備上的直接寄存器。串行口代表數(shù)據(jù)采集，CP2200通過 RJ45接口接入Internet網(wǎng)。

4. 以太網(wǎng)接口軟件設(shè)計

4.1 CP2200驅(qū)動程序

以太網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)接口就是一個以太網(wǎng)控制芯片及其驅(qū)動程序。以太網(wǎng)接口驅(qū)動程序包含管理控制器芯片與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中上一層之間通信的程序代碼，為了在以太網(wǎng)上傳送IP數(shù)據(jù)報，IP層將數(shù)據(jù)報傳遞給以太網(wǎng)控制器的驅(qū)動程序，驅(qū)動程序指示以太網(wǎng)控制器傳送以太網(wǎng)幀。在接收來自網(wǎng)絡(luò)的IP數(shù)據(jù)報時，以太網(wǎng)控制器檢查目標(biāo)地址是否與接口硬件地址或控制器可接收的組播或廣播地址一致，如果一致，則控制器檢查錯誤，驅(qū)動程序把數(shù)據(jù)報或出錯指示傳遞給IP層。

這里以太網(wǎng)接口驅(qū)動程序主要是CP2200的初始化配置和收發(fā)配置。

(1) CP2200復(fù)位初始化

CP2200復(fù)位初始化過程可以確保設(shè)備正常工作。復(fù)位開始時，首先要等待復(fù)位引腳升高，然后等待振蕩器初始化完成，振蕩器初始化完成后會發(fā)送一個中斷信號。之后是CP2200自身初始化，可以通過檢測INT0中斷狀態(tài)寄存器確定自身初始化的完成。由于系統(tǒng)默認的是允許所有的中斷，通過設(shè)置INT0EN和INT1EN關(guān)閉哪些不被主處理器處理的中斷事件。初始化過程還包括物理層(PHY)的初始化，以及媒體訪問層(MAC)的初始化。最后配置接收過濾器，系統(tǒng)復(fù)位后，過濾器允許廣播包和組播包，通過設(shè)置RXFILT寄存器可以決定是接收還是忽略諸如廣播、組播、短幀(幀長度小于64字節(jié))或者CRC錯誤的幀等。初始化完成后，接收緩沖區(qū)為空，CP2200開始準(zhǔn)備發(fā)送或接收數(shù)據(jù).

(2) 數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送

單片機C8051F020通過使用CP2200的直接和間接寄存器來控制CP2200，直接寄存器可

以訪問RAM緩沖區(qū)，F(xiàn)LASH存儲區(qū)，間接的MAC配置寄存器及其它的狀態(tài)和控制寄存器。 CP2200具有2K(0x0000–0x07FF)字節(jié)的發(fā)送緩沖區(qū)和4K(0x0000–0x0FFF)字節(jié)的接收緩沖區(qū)，它們共享相同的地址空間，都使用RAMADDRH:RAMADDRL指針訪問，每個緩沖區(qū)都有一個專門的數(shù)據(jù)寄存器。其中CP2200發(fā)送數(shù)據(jù)的流程圖如圖3所示：

使用隨機儲存器訪問方法將該包裝入發(fā)送緩沖區(qū)：

a.將RAMADDRH:RAMADDRL設(shè)為0x0000。

b.將第一個字節(jié)寫入 RAMTXDATA。[!--empirenews.page--]

c.將RAMADDRH:RAMADDRL加1。

d.將另一個數(shù)據(jù)字節(jié)寫入 RAMTXDATA.

e.重復(fù)步驟c和d直到整個包全部裝入發(fā)送緩存區(qū)。

f.長度小于64字節(jié)的幀需要填充為至少64字節(jié)。

g.將TXENDH:TXENDL設(shè)置為最后一個字節(jié)的地址。該地址值必須大于等于0x0040。

4.2 TCP/IP協(xié)議棧的設(shè)計

我們結(jié)合項目的實際需要，自行開發(fā)了簡化的TCP/IP協(xié)議[4]，實現(xiàn)的協(xié)議包括UDP協(xié)議、 IP協(xié)議、ARP協(xié)議、ICMP協(xié)議、TCP協(xié)議以及一個簡單的HTTP協(xié)議。各協(xié)議自成一個模塊，可以根據(jù)實際需要，選擇使用全部的協(xié)議或部分協(xié)議，由于本應(yīng)用主要使用UDP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，因此，TCP部分和HTTP部分可以不使用，去掉這兩個模塊不會影響系統(tǒng)的正常工作。

在實現(xiàn)時，每種協(xié)議的格式都定義為一個結(jié)構(gòu)體，發(fā)送數(shù)據(jù)時，只需將應(yīng)用數(shù)據(jù)由高層傳遞到下一層，每層協(xié)議會自動添加本層協(xié)議所需的報首內(nèi)容，如，發(fā)送UDP數(shù)據(jù)時，將數(shù)據(jù)傳給UDP層，UDP層會在數(shù)據(jù)之前加入源目的端口號和目的端口號以及數(shù)據(jù)報長度和校驗和等8個字節(jié)的UDP報首信息，然后交給IP層處理，IP同樣地在UDP報文前加入IP報首信息，然后發(fā)送給下一層。IP層發(fā)送時先從ARP Cache中查詢目的IP地址對應(yīng)的MAC地址，如果有，則將該MAC地址放入相應(yīng)位置，然后發(fā)送;如果找不到目的MAC地址則需要發(fā)送ARP請求包，廣播請求擁有該IP地址的MAC地址，收到ARP回復(fù)包后，再將該IP數(shù)據(jù)發(fā)送到下一層，在IP報之前再封裝上源MAC和目的MAC地址以及幀類型后，就可以由CP2200進行數(shù)據(jù)的發(fā)送，CP2200會自動添加幀首用于幀同步的8字節(jié)前導(dǎo)符和最后的幀校驗序列，真正將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。

5 結(jié)論

本論文的創(chuàng)新點：本文設(shè)計的以太網(wǎng)接口采用新型的單芯片以太網(wǎng)控制器CP2200，可以實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)實時傳輸，具有穩(wěn)定的工作性能、抗干擾抗震性能和較低的系統(tǒng)開發(fā)成本。簡化的TCP/IP協(xié)議棧，既避免了通用嵌入式TCP/IP的移植工作，也避免了資源的浪費，同時便于修改和擴充。

CP2200是一款新型的單芯片以太網(wǎng)控制器，具有高性能的并行外部內(nèi)存界面，高達30 Mbps的操作速度可大幅縮短通訊時間，可使搭配的微控制器能以更高效率執(zhí)行通訊協(xié)議或其它程序?；贑P2200開發(fā)的以太網(wǎng)接口現(xiàn)以廣泛應(yīng)用于遠程檢測和監(jiān)視、嵌入式Web服務(wù)器、POS設(shè)備、遠程以太網(wǎng)-UART橋等領(lǐng)域，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益，具有廣闊的發(fā)展前景。