用于車(chē)速傳感器性能測(cè)試平臺(tái)的以太網(wǎng)橋設(shè)計(jì)

3 串行口-以太網(wǎng)橋設(shè)計(jì)

通過(guò)新舊測(cè)試平臺(tái)對(duì)比，可以看到測(cè)試設(shè)備和后臺(tái)管理計(jì)算機(jī)兩大部件在性能和成本上基本相同。所以新測(cè)試平臺(tái)的性能好壞和成本高低很大程度上取決于新引入的嵌入式串行口-以太網(wǎng)橋的性能和成本。目前嵌入式產(chǎn)品市場(chǎng)上此類(lèi)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備大多是基于高檔微處理器和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的，其價(jià)格昂貴，且提供的串行口也只有1～2個(gè)，不適合需將多個(gè)串行口設(shè)備集中接入以太網(wǎng)，同時(shí)又要控制成本的應(yīng)用場(chǎng)合。本文根據(jù)這類(lèi)具體的應(yīng)用需求在8位微控制器平臺(tái)上設(shè)計(jì)了一種提供多個(gè)串行口的低成本嵌入式串行口-以太網(wǎng)橋。下面對(duì)其硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)所用串行口-以太網(wǎng)橋的功能，需要進(jìn)行多個(gè)串行口設(shè)備的以太網(wǎng)接入，以及串行通信協(xié)議和以太網(wǎng)通信協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換。所以硬件電路設(shè)計(jì)主要包括多路串行口電路模塊和以太網(wǎng)接口電路模塊設(shè)計(jì)。本文硬件系統(tǒng)方案選用ST公司的工業(yè)級(jí)SoC型微控制器uPSD3254和Realtek公司的高性能以太網(wǎng)控制器RTL8019AS兩大核心器件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3所示。

其中是一款由8051內(nèi)核模塊和PSD模塊構(gòu)成的具有SoC特征的增強(qiáng)型高速微控制器。晶振頻率最高可達(dá)40MHz，芯片內(nèi)的PSD模塊為用戶(hù)提供了豐富的可配置存儲(chǔ)器資源(256KB主Flash、32KB次Flash及32KB的SRAM)、靈活的DPLD地址譯碼電路以及3000門(mén)的CPLD模塊電路，片內(nèi)硬件看門(mén)狗大大提高了系統(tǒng)可靠性，芯片自帶JTAG接口支持ISP在系統(tǒng)編程，方便了程序調(diào)試和下載；而RTL8019AS是一款非常成熟的基于ISA總線、NE2000兼容的高性?xún)r(jià)比10M以太網(wǎng)控制器，其本身能完成以太網(wǎng)協(xié)議處理，只需和微控制器進(jìn)行簡(jiǎn)單連接即可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信；另外硬件電路還包括MAX232電平轉(zhuǎn)換器和20F001N網(wǎng)絡(luò)濾波器等少數(shù)外圍器件。整個(gè)硬件系統(tǒng)僅由4、5個(gè)芯片構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，可靠性高，成本低廉。下面從三方面給出硬件電路的具體設(shè)計(jì)。

3.1.1 PSD模塊配置設(shè)計(jì)

微控制器uPSD3254的PSD模塊使得硬件電路的設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化。它本身提供的兩塊大容量Flash以及SRAM（支持后備電池）使用戶(hù)無(wú)需再進(jìn)行外部程序/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展。同時(shí)PSD模塊中的DPLD子模塊為Flash和SRAM提供了靈活的地址譯碼， CPLD子模塊可供用戶(hù)設(shè)計(jì)一些簡(jiǎn)單的組合/時(shí)序邏輯電路。本設(shè)計(jì)根據(jù)具體應(yīng)用需求，對(duì)PSD模塊配置如下：

(1)主Flash扇區(qū)0(fs0)配置在程序存儲(chǔ)器的0000H～FFFFH空間；

(2)主Flash扇區(qū)1(fs1)配置在程序存儲(chǔ)器的8000H～7FFFH空間；

(3)SRAM(rs0)配置在外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的0000H～7FFFH空間；

(4)CPLD的PA口和PB口被分別設(shè)計(jì)為兩個(gè)多路轉(zhuǎn)換器，以供串行通信時(shí)進(jìn)行信道切換。

3.1.2 串行口擴(kuò)展設(shè)計(jì)

由圖2可知，車(chē)速傳感器性能測(cè)試平臺(tái)中四個(gè)僅支持串行口的測(cè)試設(shè)備（分別負(fù)責(zé)耐溫、轉(zhuǎn)速、傳感器靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試)要同時(shí)接入嵌入式串行口-以太網(wǎng)橋，而微控制器?滋PSD3254本身只提供兩個(gè)串行口(uart0、uart1)，所以必須進(jìn)行串行口擴(kuò)展。一種簡(jiǎn)單的擴(kuò)展方法是利用單片機(jī)I/O端口控制多路轉(zhuǎn)換器（如CD4052）進(jìn)行串行口擴(kuò)展（圖3），實(shí)現(xiàn)了一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)分時(shí)串行口通信。根據(jù)微控制器的I/O端口資源情況，依此方法系統(tǒng)最多可擴(kuò)展32個(gè)串行口。根據(jù)此思路并結(jié)合測(cè)試平臺(tái)的具體應(yīng)用需求，利用uPSD3254的CPLD模塊設(shè)計(jì)了兩個(gè)二選一的多路轉(zhuǎn)換器，從而不僅將兩個(gè)串行口擴(kuò)展為四個(gè)(uart00、uart01和uart10、uart11)，而且省去了多路轉(zhuǎn)換器芯片。另外，電平轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)TTL—RS232電平轉(zhuǎn)換，這樣就為四個(gè)測(cè)試設(shè)備提供了四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RS-232串行口供其接入串行口-以太網(wǎng)橋。

3.1.3 以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)接口是硬件電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。因?yàn)镽TL8019AS是基于ISA總線PC主板的以太網(wǎng)控制器，所以在和8位微控制器進(jìn)行接口(見(jiàn)圖3)時(shí)其硬件電路與通用方式有很大不同。下面從RTL8019AS以太網(wǎng)控制器[1]自身功能配置、與微控制器之間的總線接口及與網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的接口等三方面給出具體電路設(shè)計(jì)。

(1)RTL8019AS功能管腳設(shè)置

RTL8019AS提供3種工作方式：PnP即插即用方式、免跳線方式和跳線方式。由于8位微控制器無(wú)法支持PnP工作方式，而免跳線方式又需外加專(zhuān)用串行E2PROM 93C46以存放相應(yīng)的工作參數(shù)，因此選擇跳線工作方式。在這種方式下RTL8019AS的中斷、I/O端口地址、網(wǎng)絡(luò)接口類(lèi)型選擇等就完全取決于表1所示功能管腳的狀態(tài)。

JP腳接高電平使芯片工作于跳線方式，IOCS16B腳接低電平選8位數(shù)據(jù)總線，IRQS0～I(xiàn)RQS2接低電平選INT0為中斷請(qǐng)求源，IOS0～I(xiàn)OS3接低電平選芯片I/O端口基地址為300H，AUI、PL0、PL1接低電平分別選BNC網(wǎng)絡(luò)接口和10Base-T雙絞線傳輸介質(zhì)，SMEMRB/SMEMWB接高電平屏蔽BROM讀寫(xiě)操作。