基于CP2200簡易型以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)

　　引 言

　　當(dāng)前，嵌入式設(shè)計(jì)人員在為遠(yuǎn)程控制或監(jiān)控設(shè)備提供以太網(wǎng)接入時，使用的以太網(wǎng)控制器(如RTL8019、DM9008、CS8900A等)都是專為個人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。這些器件不僅接口電路復(fù)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(dú)立以太網(wǎng)控制器。它符合IEEE 802.3協(xié)議，支持10M以太網(wǎng)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(shè)計(jì)要求，簡化了嵌入式以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)，減小了占板空間，降低了系統(tǒng)開發(fā)成本。

　　另外，該以太網(wǎng)控制器具有8位并行主機(jī)接口，可以為絕大多數(shù)微控制器或主處理器提供以太網(wǎng)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(fù)用或非復(fù)用方式尋址。這些功能加上相關(guān)處理器的TCP/IP協(xié)議棧，使得嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)變得十分簡易。

　　1 CP2200的主要功能

　　◆符合IEEE 802.3協(xié)議：內(nèi)置lOMbps以太網(wǎng)物理層器件PHY及媒介接入控制器MAC，可按業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議可靠地收發(fā)信息包數(shù)據(jù);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(jī)的處理負(fù)荷。

　　◆30 Mbp5速率的并行主機(jī)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(jù)存儲空間，可對其進(jìn)行靈活編程;工廠預(yù)編程的唯一48位MAC地址。

　　2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　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?yàn)檫@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(fù)位引腳、晶振輸入、并行接口和與以太網(wǎng)變壓器的連接。

　　2.1 復(fù)位電路

　　CP2200具有上電復(fù)位功能。一旦VDD上升到某個門限值后，就會在片內(nèi)產(chǎn)生上電復(fù)位脈沖。當(dāng)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(fù)位，可以通過并口將復(fù)位寄存器置位來實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)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(qū)動。

　　2.3 I/O并行接口

　　CP2200的并行主機(jī)接口，支持Motorola和Intel兩種總線方式，且支持地址數(shù)據(jù)復(fù)用和非復(fù)用方式?？梢酝ㄟ^將MUXEN和MOTEN引腳接地或拉高電平來實(shí)現(xiàn)對主機(jī)接口總線方式的配置。

　　2.4 以太網(wǎng)變壓器

　　要實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接口，以太網(wǎng)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(yīng)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?/p>

　　2.5 其他電路

　　LINK和ACT引腳輸出電平用于驅(qū)動LED，以指示網(wǎng)絡(luò)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(yīng)在外部連接到相同的接地點(diǎn)。每個VDD和地之間都應(yīng)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(qū)動雙絞線接口需要相對高的電流，因此以太網(wǎng)的收發(fā)數(shù)據(jù)線應(yīng)盡可能短，并且線徑適當(dāng)加大以減少電阻損耗(為了保證數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)

　　TCP/IP協(xié)議種類繁多，相互之間交互作用復(fù)雜，在單片機(jī)上不可能實(shí)現(xiàn)所有協(xié)議，所以必須對協(xié)議棧進(jìn)行裁剪。結(jié)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(shè)計(jì)上，考慮到單片機(jī)的單任務(wù)執(zhí)行方式很難發(fā)揮TCP/IP協(xié)議的特點(diǎn)，采用了基于事件驅(qū)動機(jī)制的TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)方法。該機(jī)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(shí)時響應(yīng)性也得到了大幅提高。下而將具體闡述事件驅(qū)動機(jī)制的原理、特點(diǎn)以及基于該機(jī)制的TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)。