基于TMS320F2812 DSP的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 以太網(wǎng)經(jīng)過20多年的發(fā)展，已經(jīng)成為現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中底層連接不可或缺的一部分，它組網(wǎng)方便，具有更好的開放性，成為當(dāng)今最受歡迎的局域網(wǎng)之一。數(shù)字信號處理器(DSP)芯片作為一種特殊的嵌入式微處理器系統(tǒng)，是專門為實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法而設(shè)計(jì)的，具有嵌入式的協(xié)處理器和用于快速數(shù)據(jù)處理的并行數(shù)據(jù)通道，其卓越的性能、不斷上升的性價(jià)比及日漸完善的開發(fā)方式使它的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，因此嵌入式網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的應(yīng)用前景十分廣闊，已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。如何在DSP與PC機(jī)之間高速、可靠地進(jìn)行通信，如何借鑒PC聯(lián)網(wǎng)的成功經(jīng)驗(yàn)將DSP聯(lián)網(wǎng)，甚至與Internet對接，最直接的想法就是設(shè)計(jì)DSP與網(wǎng)卡的接口電路，通過對網(wǎng)卡直接編程，即可實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)任意站點(diǎn)之間的通信。

1 總體方案設(shè)計(jì) 

    為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信控制系統(tǒng)的功能，本系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)主要由DSP主控部分、網(wǎng)絡(luò)接口和UDPTest組成。DSP主控部分主要完成信息處理和記錄、控制并調(diào)度其他部分正常工作。網(wǎng)絡(luò)接口部分對傳來的信號進(jìn)行處理，檢測DSP、PC機(jī)的狀態(tài)，確認(rèn)后將信號按要求的傳送命令傳送出去。UDPTest用于對指定地址的接收和廣播的數(shù)據(jù)包進(jìn)行顯示。以太網(wǎng)接口芯片部分完成數(shù)據(jù)網(wǎng)上傳輸?shù)目刂啤；贒SP的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

    RTL8019AS以太網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)媒介訪問層(MAC)和物理層(PHY)的全部功能。在本系統(tǒng)中，RTL8019AS采用跳線模式，將JP管腳經(jīng)過一個(gè)10 kΩ電阻上拉接到5 V電源上?；刂返倪x擇通過BD0～BD3管腳決定，直接將其懸空，基地址選擇300H，其地址范圍為0300H～031FH。中斷選擇由BD4～BD6決定，將其全部接入低電平，選擇中斷INT0。AUI管腳決定RTL8019AS與以太網(wǎng)連接方式，AUI為低電平表示是BNC或是UTP接口，所以直接將其懸空。網(wǎng)絡(luò)接口的具體類型由PL0(BA14)、PL1(BD7)決定，將其接低電平，選擇自動檢測模式，即RTL8019AS會自動檢測接口類型，如10Base-T是電纜信號則選擇接口類型為UTP， 否則選擇接口類型為BNC。

    由于RTL8019AS工作電壓為5 V，而數(shù)字信號處理器TMS320F2812的工作電壓為3.3 V，所以RTL8019AS的輸出信號要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換，中斷信號也要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換反向送給DSP。TMS320F2812的輸出電平符合RTL8019AS的輸入電平范圍，但是為了便于DSP與RTL8019AS的邏輯控制，還是通過譯碼電平變換以后將其連接。譯碼、電平變換及反向功能由74LVTH16245完成，采用I/O 方式RTL8019AS 交換數(shù)據(jù)。ISA為了兼容的需要設(shè)置了IOCS16B 信號線，DSP與RTL8019AS交換的數(shù)據(jù)為16位寬，所以將其通過10 kΩ上拉電阻接5 V電源。RTL8019AS的IOWB、IORB、AEN信號線通過DSP的IS、IOSTRB、R/W這三根線譯碼得到。

    TMS320F2812與RTL8019AS的接口如圖 2所示。
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3  軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1主程序的設(shè)計(jì) 

    本系統(tǒng)主要是在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧，主要采用以太網(wǎng)IEEE802.3、IP、UDP、ARP等協(xié)議作為通信協(xié)議，傳輸數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)控制器完成。其主程序主要完成從UDP數(shù)據(jù)包中解析出完整的CAN協(xié)議報(bào)文，并存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)A中。同時(shí)，也可以將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B中完整的CAN協(xié)議報(bào)文封裝成UDP數(shù)據(jù)報(bào)，然后將其發(fā)送到以太網(wǎng)上。

    在數(shù)據(jù)發(fā)送前，先要對待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議封裝。以UDP數(shù)據(jù)報(bào)為例，首先對原始數(shù)據(jù)添加UDP頭，包括源端口、目的端口、UDP數(shù)據(jù)長度和校驗(yàn)和4個(gè)字段，然后再添加IP頭（包括源IP地址、目的IP地址）、校驗(yàn)和等字段，最后封裝以太網(wǎng)IEEE802.3幀，包括目的CRC地址、源MAC地址和以太網(wǎng)幀總長度。其中源MAC地址為本地物理地址，由程序在初始化時(shí)設(shè)定。而IEEE802.3幀結(jié)構(gòu)中的CRC校驗(yàn)由以太網(wǎng)硬件自動完成。至此，構(gòu)造了一個(gè)完整的UDP數(shù)據(jù)報(bào)，就可以交給RTL8019AS進(jìn)行發(fā)送了。對于接收到的數(shù)據(jù)包，主處理器對其進(jìn)行拆解，將解包得到的IP地址與本地IP地址相比較，同時(shí)進(jìn)行校驗(yàn)和驗(yàn)證，如果IP一致，則接收該數(shù)據(jù)包，否則將其丟棄；如果校驗(yàn)和不正確，則表示數(shù)據(jù)包傳輸過程中發(fā)生差錯(cuò)，但不產(chǎn)生差錯(cuò)報(bào)文，由應(yīng)用層發(fā)現(xiàn)丟失的數(shù)據(jù)包并請求重傳。

3.2 主程序流程圖

    主程序流程圖如圖3所示，DSP首先初始化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。當(dāng)有數(shù)據(jù)從RJ45傳過來時(shí)，DSP對數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析，如果是ARP（物理地址解析協(xié)議）數(shù)據(jù)包，則程序轉(zhuǎn)入ARP處理程序。如果是IP（網(wǎng)間協(xié)議）數(shù)據(jù)包且傳輸層使用UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議），端口正確，則認(rèn)為數(shù)據(jù)報(bào)正確，數(shù)據(jù)解包后，送入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)A，最后把數(shù)據(jù)部分通過CAN接口輸出。反之，如果DSP從CAN接口接收數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)按照UDP協(xié)議格式打包，送入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B，由RTL8019AS將數(shù)據(jù)輸出到局域網(wǎng)中。

3.3 中斷服務(wù)子程序的設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)采用中斷方式來處理RTL8019AS 的收發(fā)。當(dāng)主程序響應(yīng)RTL8019AS的中斷時(shí)，根據(jù)中斷寄存器(ISR)的值來判定程序的走向，中斷流程圖如圖4所示。

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DSP 接收到外部INT0中斷后檢查狀態(tài)寄存器ISR，如果PTX 位有效，則說明上一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完成；如果PRX 位有效，表明接收到新的一幀數(shù)據(jù)。對于發(fā)送數(shù)據(jù)，先要進(jìn)行載波沖突檢測，在無沖突情況下，主處理器從發(fā)送物理幀隊(duì)列讀出一幀已封裝好的IEEE802.3 幀數(shù)據(jù)，通過控制器的遠(yuǎn)程DMA 通道寫到發(fā)送緩沖區(qū)，然后向命令寄存器CR 寫入0x1E 控制字啟動發(fā)送，控制器發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后再次向主處理器發(fā)出發(fā)送中斷請求信號，如果物理幀隊(duì)列不為空，則主處理器繼續(xù)發(fā)送，否則返回。對于接收數(shù)據(jù)，主處理器從接收緩沖區(qū)讀入一幀數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)解包，將解包得到的IP 地址與本機(jī)IP 地址比較，如果一樣，則接收該幀數(shù)據(jù)，否則丟棄該幀數(shù)據(jù)。讀入一幀數(shù)據(jù)后判斷接收緩沖區(qū)是否為空，不為空繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)，否則返回。

    基于DSP的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)因其顯著的高效傳輸效果及體積小、重量輕、可靠性高等特點(diǎn)，已經(jīng)在各種家電設(shè)備、儀器儀表以及工業(yè)生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)采集與控制設(shè)備等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。實(shí)驗(yàn)表明, 本系統(tǒng)能夠正確快速地接入以太網(wǎng)，可以從PC機(jī)上通過網(wǎng)線傳輸數(shù)據(jù)到DSP上，然后DSP再將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線回傳到PC機(jī)上顯示。采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS- II 可大幅加快軟件的開發(fā)和調(diào)試進(jìn)度。使用RTL8019AS 作為嵌入式系統(tǒng)以太網(wǎng)接口芯片是嵌入式設(shè)備接入以太網(wǎng)的一種嘗試，與使用普通的PC機(jī)作Web服務(wù)器相比，此種方案節(jié)省費(fèi)用、可移植性好、嵌入式設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的分離、可以方便地連接各種嵌入式設(shè)備以及簡化了嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。