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1 引言 目前，以太網(wǎng)（ethernet）協(xié)議已經(jīng)非常廣泛地應用于各種計算機網(wǎng)絡(luò )，如辦公局域網(wǎng)、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )等場(chǎng)合，并且還不斷地發(fā)展�；谝蕴W(wǎng)的新技術(shù)和聯(lián)網(wǎng)設備不斷出現，以太網(wǎng)已經(jīng)成為事實(shí)上最常用的局域網(wǎng)絡(luò )標準之一。但是，基于以太網(wǎng)的嵌入式系統目前并不是很多。其原因除了嵌入式系統本身運行速度較慢、資源較少且不足以實(shí)現以太網(wǎng)的各種協(xié)議外，更重要是設計以太網(wǎng)的接口及協(xié)議相對比較復雜，使人望而卻步。本文將研討基于c8051f系列單片機系統的嵌入式系統與10mbps以太網(wǎng)控制器芯片rtl8019as的接口電路實(shí)現及編程方法。 2 嵌入式以太網(wǎng)接口分析 2.1 接口組成 8位mcu的嵌入式設備通過(guò)以太網(wǎng)接口，將8位mcu采集的數據信息，傳送到遠程服務(wù)器。在這個(gè)過(guò)程中需要處理網(wǎng)絡(luò )接口、接收數據的分析、發(fā)送數據段的封裝等問(wèn)題。 以10baset以太網(wǎng)為例，發(fā)送數據時(shí)應該做的工作是首先對需要發(fā)送的數據進(jìn)行曼切斯特編碼，然后對編碼后的數據進(jìn)行預處理，使其發(fā)送的數據適合10baset的以太網(wǎng)傳輸，最后把處理好的數據以適當的速度發(fā)送到以太網(wǎng)。同時(shí)為了保證數據的有效性，系統還應具有沖突檢測和重發(fā)功能。在這個(gè)過(guò)程中，直接用8位mcu來(lái)實(shí)現該功能非常困難。解決的方法是用專(zhuān)門(mén)的網(wǎng)絡(luò )接口芯片nic網(wǎng)絡(luò )接口卡（nic-network inteRFace card）來(lái)實(shí)現，這類(lèi)芯片遵循ieee802.3所規定的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據的發(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據接口，這對于8位mcu是沒(méi)有問(wèn)題的�；谝陨系姆治�，8位mcu的嵌入式設備以太網(wǎng)接口部分構成如圖1所示: 圖1 嵌入式設備以太網(wǎng)接口組成 2.2 以太網(wǎng)控制芯片——rtl8019as （1） rtl8019as的主要性能
采用cmos工藝，功耗低。單一電源5v供電。 （2） rtl8019as的內部結構 rtl8019as芯片內部包含遠程dma（直接存儲器存�。┙涌�、本地dma接口、mac（介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制）邏輯、數據編碼解碼邏輯和其它接口。這里的dma與平時(shí)所說(shuō)的dma有些不同:rtl8019as芯片的本地dma操作是由控制器本身完成;而遠程dma并不是在沒(méi)有主處理器的參與下數據能自動(dòng)移到主處理器的內存中，它指主處理器給出起址和長(cháng)度就可以讀寫(xiě)芯片的ram緩沖區，每操作一次ram地址自動(dòng)加1，而普通ram操作每次要先發(fā)地址再處理數據，速度較慢。內部結構如圖2所示。 3 嵌入式設備網(wǎng)絡(luò )互連設計方案 3.1 電路原理設計 c8051f020是美國cygnal公司推出的一種混合信號soc型8位單片機，它是一種完全集成的混合信號系統級芯片，具有與8051兼容的微控制器內核，與mcs-51指令集完全兼容。內核采用流水線(xiàn)結構，機器周期由標準的12個(gè)系統時(shí)鐘周期降為1個(gè)系統時(shí)鐘周期，70%指令的執行時(shí)間為1個(gè)或2個(gè)系統時(shí)鐘周期，處理能力大大提高，峰值性能可達25mips。 同時(shí)，除具有標準8051的數字外設部件外，c8051- f020片內還集成了構成一個(gè)單片機數據采集、控制系統所需要的幾乎所有模擬、數字外設及其他功能部件。這些外設或功能部件包括:用于多種模擬信號的模擬多路選擇器、真正12位轉換精度的ADC，還有能滿(mǎn)足特殊功能所需的smbus（i2c兼容）、uart、spi、多個(gè)多功能計數器/定時(shí)器、以及看門(mén)狗定時(shí)器（wdt）和電源監視器等數字外設。 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(kāi)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的輸出能更好地驅動(dòng)5v輸入的oled，需要對系統進(jìn)行額外配置。除了將對應端口的輸出方式設置為“漏極開(kāi)路”外，還應在電路上將每個(gè)端口通過(guò)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。 單片機采用c8051f020芯片，以查詢(xún)工作方式不斷讀取rtl8019as狀態(tài)寄存器。以遠程dma方式發(fā)送或讀取rtl8019as的數據。詳見(jiàn)圖3。 由于網(wǎng)絡(luò )控制器具有 ethernet（ieee802.3）協(xié)議處理功能，系統便可直接rj45連接到以太網(wǎng)（再通過(guò)以太網(wǎng)接入 internet）。本文所設計的系統中選用的rj45連接器為lf1s022，它已經(jīng)具有電平轉換功能，簡(jiǎn)化了 pcb設計。值得注意的是，設計pcb時(shí)，rj45連接器不能與cpu和網(wǎng)絡(luò )芯片相距太遠，以免對數據傳輸造成影響。 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(xiàn)接收差分曼徹斯特編碼的數據。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(xiàn)超載，該輸出信號會(huì )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(guò)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中擴展的rj45口接入互聯(lián)網(wǎng)，rtl8019as通過(guò)本地dma方式將接收到的數據送到片內sram，或者從片內sram讀取數據從rj45口發(fā)送出去。 網(wǎng)卡的復位信號rstdrv由單片機的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芯片復位。 rstdrv從高電平到低電平之后要等多久，單片機才可以對網(wǎng)卡進(jìn)行操作？復位的過(guò)程將執行一些操作，比如將內部寄存器初始化等。這些至少需要2ms的時(shí)間。為確保完全復位，應該等待更久的時(shí)間之后才對網(wǎng)卡操作，比如100ms之后才對它操作。 對rstdrv可以接單片機的一個(gè)i/o口線(xiàn)進(jìn)行網(wǎng)卡的復位，也可以直接將rstdrv跟單片機的reset引腳并聯(lián)，單片機復位的時(shí)候，網(wǎng)卡也復位，以減少一個(gè)單片機的引腳使用。 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，一般帶有操作系統的計算機上，網(wǎng)卡的初始化由其驅動(dòng)程序完成。此例中由于c8051f020單片機是全裸機（不含驅動(dòng)程序），不僅需要用戶(hù)自己完成網(wǎng)卡的初始化，還需要用戶(hù)自己設置網(wǎng)卡的mac（介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制）地址以及對網(wǎng)卡進(jìn)行讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)。 初始化需要設置頁(yè)0與頁(yè)1的相關(guān)寄存器，頁(yè)2的寄存器是只讀的，不可以設置，頁(yè)3的寄存器不是ne2000兼容的，不用設置。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。初始化函數主要要完成以下諸項工作。 （1） 調用復位子程序隊rtl8019as進(jìn)行復位。有兩種復位方式:一是硬件復位，通過(guò)拉高拉低reset引腳達到復位rtl8019as的目的;二是軟件復位，向if端口讀寫(xiě)數據從而使rtl8019as復位。 （2） 向命令寄存器cr寫(xiě)入0x21h使rtl8019as處于停止模式，設置寄存器。 （3） 設置數據配置寄存器dcr為使用fifo緩存、普通模式、8位數據傳輸模式，字節順序為高位字節在前，低位字節在后。設置rbcr0、rbcr1寄存器為0，即讀取ram字節數。 （4） 設置接收和發(fā)送緩沖區起止地址。pstart接收緩沖區的起始頁(yè)地址0x46;pstop接收緩沖區的結束頁(yè)地址0x80;bnry指向最后一個(gè)已經(jīng)讀取頁(yè)的指針0x46;tpsr發(fā)送頁(yè)的起始地址0x40;curr芯片寫(xiě)內存指針，它指向當前正在寫(xiě)的頁(yè)的下一個(gè)頁(yè)，即初始化時(shí)指向0x47。 （5） 設置rcr接收配置寄存器為0xcc，使用接收緩沖區，僅接收自己的地址的數據包（以及廣播地址數據包）和多點(diǎn)播送地址包，小于64字節的包丟棄，校驗錯的數據包不接收。設置tcr發(fā)送配置寄存器為0xe0，啟用crc自動(dòng)生成和自動(dòng)校驗，工作在正常模式。 （6） 設置mar0～mar8為0，清除多播地址寄存器;設置isr為0xff，清除中斷狀態(tài)寄存器;設置中斷屏蔽寄存器imr為0，屏蔽所有中斷請求。 （7） 將物理地址寫(xiě)入par0～5物理地址寄存器。 （8） 最后設置tcr發(fā)送配置寄存器為0xe0;設置命令寄存器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)，必需指明嵌入式設備的48位硬件地址和廣播地址，并正確設置它的ip地址、子網(wǎng)掩碼和默認網(wǎng)關(guān)。工業(yè)控制一般都在一個(gè)同級局域網(wǎng)內部進(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 結束語(yǔ) 本文分析了嵌入式設備與以太網(wǎng)接口的組成，簡(jiǎn)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計。該設計以數據采集為例的，在工業(yè)生產(chǎn)中有很大的現實(shí)意義。 |
