由于嵌入式技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，以太網(wǎng)接口在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，以太網(wǎng)接口不僅通信速度快，傳輸可靠，使用和配置方便，而且不受地域限制（廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)均可）。但通常使用的以太網(wǎng)控制器如RTL8019、DM9008、AX88796L CS8900A 、LAN91C111等都是為個人專用計算機系統(tǒng)設(shè)計的，這些器件不僅接口電路復(fù)雜，體積厚度較大，而且比較昂貴。Silabs（Silicon Laboratories）公司的獨立單芯片以太網(wǎng)控制器CP2200是工業(yè)界體積最小、性能最高的單芯片10BASE-T以太網(wǎng)控制器， CP2200可以為具有11個以上端口I/O引腳的任何微控制器或主處理器增加以太網(wǎng)通信功能。

本文使用通用型單片機C8051F020、以太網(wǎng)控制CP2200和經(jīng)過自行裁剪的TCP/IP協(xié)議棧，構(gòu)成了嵌入式系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口。

1、微控制器C8051F020

C8051F020［2］是美國Silabs公司推出的C8051F系列單片機中的通用型單片機。C8051系列是片上系統(tǒng)（SOC）單片機。片上系統(tǒng)（SOC）是把計算機常用的一些數(shù)字和模擬外設(shè)等全部都做在一塊芯片上，使它成為一個完整的模擬數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，這使得以8051為內(nèi)核的單片機上了一個新的臺階。

C8051F020是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，100腳TQFP（Thin Quad Flat Packeage）封裝，MCU可在工業(yè)溫度范圍（-45℃到+85℃）內(nèi)工作，具有高速、流水線結(jié)構(gòu)，與8051的微控制器內(nèi)核CIP-51兼容。

2、以太網(wǎng)控制器CP2200

CP2200是Silabs（Silicon Laboratories）公司于近期推出的一款針對工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)控制器，集成了IEEE 802.3以太網(wǎng)媒體訪問控制器（MAC）、10Base-T物理層（PHY）和8KB非易失性FLASH存儲器的單芯片以太網(wǎng)控制［1］器。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。

CP2200有28腳QFN和48腳TQFP兩種封裝。28腳QFN封裝只支持復(fù)用方式尋址。有方式選擇引腳，用于選擇總線接口方式。

CP2200有8KB片內(nèi)FLASH存儲器，可用于存儲用戶常數(shù)、Web服務(wù)器內(nèi)容或作為通用非易失性存儲器。FLASH存儲器的最后6個存儲單元是工廠預(yù)編程的唯一48位MAC地址，這樣可以從大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的生產(chǎn)過程中消除必不可少的序列化步驟。

CP2200完全兼容100/1000 BASE-T網(wǎng)絡(luò)，可以工作在全雙工或半雙工模式，自適應(yīng)，能進行自動極性檢測和糾正，具有碰撞自動重發(fā)功能，能自動填充和生成CRC，支持廣播和多播MAC尋址。工作的溫度范圍在-40°C到+85°C 之間。

圖1 CP2200的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3、以太網(wǎng)接口硬件設(shè)計

在嵌入式系統(tǒng)中，擴展以太網(wǎng)接口，通常有下面兩種方法：

1.以太網(wǎng)接口由不帶網(wǎng)絡(luò)接口控制器的嵌入式處理器和以太網(wǎng)接口芯片組成。以太網(wǎng)接口芯片和嵌入式處理器通過總線相連。此方法通用性強，不受處理器的限制，但由于處理器和網(wǎng)絡(luò)通過外部總線交換數(shù)據(jù)，速度慢。

2.選擇帶有以太網(wǎng)接口的嵌入式處理器。這種方法要求嵌入式處理器有通用的網(wǎng)絡(luò)接口控制器。處理器和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換通過內(nèi)部總線，速度快。

這里選用前一種方法來實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口，其主要由C8051F020單片機和單芯片以太網(wǎng)控制器CP2200構(gòu)成，如圖2所示，單片機控制數(shù)據(jù)采集和傳輸，以太網(wǎng)控制器CP2200負責(zé)將數(shù)據(jù)發(fā)送到因特網(wǎng)或從網(wǎng)絡(luò)上接收數(shù)據(jù)包。

本以太網(wǎng)接口單元是中國民航總局科技基金項目“機場噪聲自動監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯颗c實現(xiàn)”中Internet接入設(shè)備的重要組成部分。Internet接入設(shè)備的主要功能是將噪聲數(shù)據(jù)傳送到Internet局域網(wǎng)上。單片機將從現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)控制器芯片發(fā)送到Internet上，以太網(wǎng)服務(wù)器端接收該數(shù)據(jù)包。服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)的流向與之相反，來自服務(wù)器的以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)，通過RJ45接口送到以太網(wǎng)控制器，處理后的數(shù)據(jù)包再送入單片機協(xié)議棧。

這里使用的是48引腳的CP2200，這樣可以不用工作在復(fù)用模式。單片機C8051F020與以太網(wǎng)控制器CP2200采用并口相連接，CP2200有一個8位的并行主機接口用于訪問該設(shè)備上的直接寄存器。串行口代表數(shù)據(jù)采集，CP2200通過RJ45接口接入Internet網(wǎng)。

4、以太網(wǎng)接口軟件設(shè)計

4.1 CP2200驅(qū)動程序

以太網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)接口就是一個以太網(wǎng)控制芯片及其驅(qū)動程序。以太網(wǎng)接口驅(qū)動程序包含管理控制器芯片與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中上一層之間通信的程序代碼，為了在以太網(wǎng)上傳送IP數(shù)據(jù)報，IP層將數(shù)據(jù)報傳遞給以太網(wǎng)控制器的驅(qū)動程序，驅(qū)動程序指示以太網(wǎng)控制器傳送以太網(wǎng)幀。在接收來自網(wǎng)絡(luò)的IP數(shù)據(jù)報時，以太網(wǎng)控制器檢查目標地址是否與接口硬件地址或控制器可接收的組播或廣播地址一致，如果一致，則控制器檢查錯誤，驅(qū)動程序把數(shù)據(jù)報或出錯指示傳遞給IP層。

這里以太網(wǎng)接口驅(qū)動程序主要是CP2200的初始化配置和收發(fā)配置。

（1） CP2200復(fù)位初始化

CP2200復(fù)位初始化過程可以確保設(shè)備正常工作。復(fù)位開始時，首先要等待復(fù)位引腳升高，然后等待振蕩器初始化完成，振蕩器初始化完成后會發(fā)送一個中斷信號。之后是CP2200自身初始化，可以通過檢測INT0中斷狀態(tài)寄存器確定自身初始化的完成。由于系統(tǒng)默認的是允許所有的中斷，通過設(shè)置INT0EN和INT1EN關(guān)閉哪些不被主處理器處理的中斷事件。初始化過程還包括物理層（PHY）的初始化，以及媒體訪問層（MAC）的初始化。最后配置接收過濾器，系統(tǒng)復(fù)位后，過濾器允許廣播包和組播包，通過設(shè)置RXFILT寄存器可以決定是接收還是忽略諸如廣播、組播、短幀（幀長度小于64字節(jié)）或者CRC錯誤的幀等。初始化完成后，接收緩沖區(qū)為空，CP2200開始準備發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。

（2） 數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送

單片機C8051F020通過使用CP2200的直接和間接寄存器來控制CP2200，直接寄存器可

以訪問RAM緩沖區(qū)，F(xiàn)LASH存儲區(qū)，間接的MAC配置寄存器及其它的狀態(tài)和控制寄存器。CP2200具有2K（0x0000–0x07FF）字節(jié)的發(fā)送緩沖區(qū)和4K（0x0000–0x0FFF）字節(jié)的接收緩沖區(qū)，它們共享相同的地址空間，都使用RAMADDRH:RAMADDRL指針訪問，每個緩沖區(qū)都有一個專門的數(shù)據(jù)寄存器。其中CP2200發(fā)送數(shù)據(jù)的流程圖如圖3所示：

使用隨機儲存器訪問方法將該包裝入發(fā)送緩沖區(qū)：

a.將RAMADDRH:RAMADDRL設(shè)為0x0000。

b.將第一個字節(jié)寫入 RAMTXDATA。

c.將RAMADDRH:RAMADDRL加1。

d.將另一個數(shù)據(jù)字節(jié)寫入 RAMTXDATA.

e.重復(fù)步驟c和d直到整個包全部裝入發(fā)送緩存區(qū)。

f.長度小于64字節(jié)的幀需要填充為至少64字節(jié)。

g.將TXENDH:TXENDL設(shè)置為最后一個字節(jié)的地址。該地址值必須大于等于0x0040。

4.2 TCP/IP協(xié)議棧的設(shè)計

我們結(jié)合項目的實際需要，自行開發(fā)了簡化的TCP/IP協(xié)議，實現(xiàn)的協(xié)議包括UDP協(xié)議、IP協(xié)議、ARP協(xié)議、ICMP協(xié)議、TCP協(xié)議以及一個簡單的HTTP協(xié)議。各協(xié)議自成一個模塊，可以根據(jù)實際需要，選擇使用全部的協(xié)議或部分協(xié)議，由于本應(yīng)用主要使用UDP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，因此，TCP部分和HTTP部分可以不使用，去掉這兩個模塊不會影響系統(tǒng)的正常工作。

在實現(xiàn)時，每種協(xié)議的格式都定義為一個結(jié)構(gòu)體，發(fā)送數(shù)據(jù)時，只需將應(yīng)用數(shù)據(jù)由高層傳遞到下一層，每層協(xié)議會自動添加本層協(xié)議所需的報首內(nèi)容，如，發(fā)送UDP數(shù)據(jù)時，將數(shù)據(jù)傳給UDP層，UDP層會在數(shù)據(jù)之前加入源目的端口號和目的端口號以及數(shù)據(jù)報長度和校驗和等8個字節(jié)的UDP報首信息，然后交給IP層處理，IP同樣地在UDP報文前加入IP報首信息，然后發(fā)送給下一層。IP層發(fā)送時先從ARP Cache中查詢目的IP地址對應(yīng)的MAC地址，如果有，則將該MAC地址放入相應(yīng)位置，然后發(fā)送；如果找不到目的MAC地址則需要發(fā)送ARP請求包，廣播請求擁有該IP地址的MAC地址，收到ARP回復(fù)包后，再將該IP數(shù)據(jù)發(fā)送到下一層，在IP報之前再封裝上源MAC和目的MAC地址以及幀類型后，就可以由CP2200進行數(shù)據(jù)的發(fā)送，CP2200會自動添加幀首用于幀同步的8字節(jié)前導(dǎo)符和最后的幀校驗序列，真正將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。

5、 結(jié)論

本論文的創(chuàng)新點：本文設(shè)計的以太網(wǎng)接口采用新型的單芯片以太網(wǎng)控制器CP2200，可以實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)實時傳輸，具有穩(wěn)定的工作性能、抗干擾抗震性能和較低的系統(tǒng)開發(fā)成本。簡化的TCP/IP協(xié)議棧，既避免了通用嵌入式TCP/IP的移植工作，也避免了資源的浪費，同時便于修改和擴充。

CP2200是一款新型的單芯片以太網(wǎng)控制器，具有高性能的并行外部內(nèi)存界面，高達30 Mbps的操作速度可大幅縮短通訊時間，可使搭配的微控制器能以更高效率執(zhí)行通訊協(xié)議或其它程序。基于CP2200開發(fā)的以太網(wǎng)接口現(xiàn)以廣泛應(yīng)用于遠程檢測和監(jiān)視、嵌入式Web服務(wù)器、POS設(shè)備、遠程以太網(wǎng)-UART橋等領(lǐng)域，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益，具有廣闊的發(fā)展前景。

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