用CP2200實現(xiàn)MCU的簡易型以太網接口

引 言
當前，嵌入式設計人員在為遠程控制或監(jiān)控設備提供以太網接入時，使用的以太網控制器(如RTL8019、DM9008、CS8900A等)都是專為個人計算機系統(tǒng)設計的。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公司于近期推出的一款48引腳獨立以太網控制器。它符合IEEE 802．3協(xié)議，支持10M以太網接入，而且僅需很少的外部電路連線就可滿足絕大多數(shù)嵌入式以太嗣接口的設計要求，簡化了嵌入式以太網接口的設計，減小了占板空間，降低了系統(tǒng)開發(fā)成本。
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(shù)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(xié)議棧，使得嵌入式應用系統(tǒng)的以太網接口實現(xiàn)變得十分簡易。

1 CP2200的主要功能
◆符合IEEE 802．3協(xié)議：內置lOMbps以太網物理層器件PHY及媒介接入控制器MAC，可按業(yè)界標準的以太網協(xié)議可靠地收發(fā)信息包數(shù)據；具有可編程填充和CRC自動生成功能。
◆可編程過濾功能：特殊的過濾器，可自動評價、接收或拒收Magic Packet、單播(Unicast)、多播(Multicast)或廣播(Broadcast)信息包，以減輕主控單片機的處理負荷。
◆30 Mbp5速率的并行主機接口：支持Intel和M0torola兩種總線方式。
◆8 KB Flash存儲器：8192字節(jié)非易失性數(shù)據存儲空間，可對其進行靈活編程；工廠預編程的唯一48位MAC地址。

2 硬件電路設計
系統(tǒng)的硬件電路原理可參考圖1。其中，要特別注意CP2200控制器與RJ-45的連接電路，因為這些參數(shù)對通信的可靠性影響很大。
CP2200的外圍電路比較簡單，主要考慮其復位引腳、晶振輸入、并行接口和與以太網變壓器的連接。
2．1 復位電路
CP2200具有上電復位功能。一旦VDD上升到某個門限值后，就會在片內產生上電復位脈沖。當VDD上升到足夠器件上作時，器件會以初始化狀態(tài)啟動。CP2200支持軟件復位，可以通過并口將復位寄存器置位來實現(xiàn)軟件復位。
2.2 晶振電路
CP2200的工作頻率為20MHz，晶振連接在XTAL1和XTAL2之間。CP2200也可由連接到XTAL1引腳的外部時鐘源驅動。
2.3 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(shù)據復用和非復用方式?？梢酝ㄟ^將MUXEN和MOTEN引腳接地或拉高電平來實現(xiàn)對主機接口總線方式的配置。
2．4 以太網變壓器
要實現(xiàn)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1個專用于10BASE-T操作的l：1脈沖變壓器；在差分發(fā)送引腳(TX+／TX-)上，需要外接1個帶有中心抽頭的l：2．5脈沖變壓器。變壓器應具有2 kV以上的電壓隔離性能，以防止靜電干擾。發(fā)送端需要2個8Ω(精度為1％)的電阻和1個560pF的電容與特定端相連，接收端需要1個100Ω電阻與特定端相連(具體連接方式見圖1)。

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?shù)目煽啃浴?BR>2．5 其他電路
LINK和ACT引腳輸出電平用于驅動LED，以指示網絡的連接和活動狀態(tài)。
所有電源引腳都必須與同一個外部3．3V電源相連。類似地，所有參考地都應在外部連接到相同的接地點。每個VDD和地之間都應連接一個0.1μF的陶瓷旁路電容，且盡可能靠近引腳。
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(fā)數(shù)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(shù)據的可靠傳輸，筆者的PCB電路板選擇了20mil的線徑)。(注：100mil=2．54 mm。)

3 軟件設計
TCP／IP協(xié)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(xiàn)所有協(xié)議，所以必須對協(xié)議棧進行裁剪。結合系統(tǒng)的具體通信要求，本系統(tǒng)最后只保留了TCP、UDP、IP、ICMP、ARP協(xié)議模塊。在協(xié)議棧程序的整體設計上，考慮到單片機的單任務執(zhí)行方式很難發(fā)揮TCP／IP協(xié)議的特點，采用了基于事件驅動機制的TCP／IP協(xié)議棧的實現(xiàn)方法。該機制的引入，使得系統(tǒng)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。下而將具體闡述事件驅動機制的原理、特點以及基于該機制的TCP／IP協(xié)議棧的實現(xiàn)。
3．1 事件驅動機制的原理
系統(tǒng)初始化完成后，進入事件循環(huán)體，不斷查詢C8051F040的事件隊列是否有事什，一些事件隊列非空，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(zhí)行完畢后，仍然返回到事件循環(huán)體中。事件標志字由中斷直接或者間接驅動，當某個事件發(fā)生后，只需在中斷服務程序中將狀態(tài)字的對應位置位。中斷不斷向事件隊列中添加事件，而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。
3．2 事件驅動機制的特點
①由于在中斷處理程序中，僅執(zhí)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(tǒng)關閉中斷的時間很短，從而增強了系統(tǒng)對中斷處理的實時性。
②C805lF040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。這實際上是對任務都進行了分步處理，在執(zhí)行一步某一任務的同時，也可以執(zhí)行一步其他任務。這樣，在不影響主程序流程的情況下，提高了系統(tǒng)的實時性。
3.3 事件循環(huán)體的簡要流程
事件循環(huán)體的簡要流程如圖2所示，下面具體介紹各事件的含義。

◆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接收緩沖區(qū)程序，然后對幀進行解包處理。
◆EVENT_TCP_RETRAN：TCP重傳事件。若TCP定時器超時，則觸發(fā)該事件。
◆EVENT_TCP_INACTIVITY：關斷不話動連接事件。若某連接超過0．5s沒有收發(fā)數(shù)據，則觸發(fā)此事件。
◆EVENT_ARP_RETRAN：ARP請求數(shù)據包重傳事件。若某一ARP請求在發(fā)出O．5s后沒有相應，則觸發(fā)該事件。若經兩次重發(fā)都沒回應，則將以該IP為目的地址的數(shù)據包丟棄。
◆EVENT-AGE_ARP_CACHE：更新ARP緩存事件。每60s觸發(fā)該事件一次。
◆EVENT_COME_NEWDATA：有新數(shù)據事件。當有新數(shù)據待發(fā)送時，觸發(fā)該事件。

4 結論
CP2200的多種集成功能(如CRC校驗、數(shù)據濾波等)有效地減輕了單片機的載荷，它內部的收發(fā)接口單元操作起來靈活方便，為以太網數(shù)據包提供了有效的緩沖；另外，該芯片具有穩(wěn)定的工作性能和抗干擾抗震性能。筆者利用CP2200、C8051F040和文中提到的TCP／IP協(xié)議棧開發(fā)出了用于鐵路機車的以太網通信接口板卡。此板卡已在測試機車上運行，工作性能良好，能夠進行穩(wěn)定的數(shù)據傳遞。