第4章 嵌入式系统通信接口设计.ppt

第4章 嵌入式系统通信接口设计,目 录,4.1 以太网接口电路设计 4.2 rs-232接口电路设计 4.3 usb接口电路设计,4.1 以太网接口电路设计,4.1.1 以太网接口介绍,以太网接口结构,从应用的角度看，itu.t 802.3模型层间结构如图4-2所示。,以太网接口电路主要由媒质接入控制mac控制器和物理层接口（physical layer，phy）两大部分构成，目前常见的以太网接口芯片有rtl8019/8029/8039、cs8900、 dm9000 、dm9008及dwl650无线网卡等。,mac媒体访问控制,mac定义了数据包怎样在介质上进行传输。在共享同一个带宽的链路中，对连接介质的访问是“先来先服务”的。 物理寻址在此处被定义，逻辑拓扑（信号通过物理拓扑的路径）也在此处被定义。线路控制、出错通知（不纠正）、帧的传递顺序和可选择的流量控制也在这一子层实现。,注解：,该协议位于osi七层协议中数据链路层，数据链路层分为上层llc（逻辑链路控制），和下层的mac（媒体访问控制），mac主要负责控制与连接物理层的物理介质。 在发送数据的时候，mac协议可以事先判断是否可以发送数据，如果可以发送将给数据加上一些控制信息，最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层； 在接收数据的时候，mac协议首先判断输入的信息并是否发生传输错误，如果没有错误，则去掉控制信息发送至llc（逻辑链路控制）层。,应 用：,不管是在传统的有线局域网（lan）中还是在目前流行的无线局域网（wlan）中，mac协议都被广泛地应用。 在传统局域网中，各种传输介质的物理层对应到相应的mac层，目前普遍使用的网络采用的是ieee 802.3的mac层标准，采用csma/cd访问控制方式； 而在无线局域网中，mac所对应的标准为ieee 802.11，其工作方式采用dcf（分布控制）和pcf（中心控制）。,csma/cd,csma/cd（carrier sense multiple access/ collision detect）即载波监听多路访问/冲突检测方法。 csma/cd是带有冲突检测的csma，其基本思想是：当一个节点要发送数据时，首先监听信道；如果信道空闲就发送数据，并继续监听；如果在数据发送过程中监听到了冲突，则立刻停止数据发送，等待一段随机的时间后，重新开始尝试发送数据。,现在的arm芯片内嵌的以太网控制器 一般都具有以下几个特点：,1）支持媒体独立接口（media independentinterface，m）。 2）带缓冲dma接口（buffered dma interface，bdi）。 3）在半双工模式下提供10m/100mb/s的以太网接入，控制器支持csma/cd协议。 4）在全双工模式下提供10m/100mb/s的以太网接入，支持ieee802.3 mac控制层协议。,对于嵌入式处理器arm（s3c2440），已经包含了以太网mac控制器，但并未提供物理层接口，因此，需外接一片物理层芯片以提供以太网的接入通道。 而最常用的单口10m/100mb/s高速以太网物理层接口器件均提供m接口和传统7线制网络接口，可方便地与arm连接。 以太网物理层接口器件主要功能一般包括：物理编码子层、物理媒体附件、双绞线物理媒体子层、10base-tx编码/解码器和双绞线媒体访问单元等。,4.1.2 以太网接口的设计,目前常见的以太网接口芯片有rtl8019/8029/8039、cs8900、dm9008及dwl650无线网卡等。,一、arm应用中的以太网设计方案选择,（1）在以网络为核心的应用系统中，微处理器一般可以选择arm9、arm11、cortex-a8、cortex-a9等处理器：,一是内部带有以太网mac控制器； 二是运行速度快，一般主频都在400mhz以上，可满足高速的通信数据处理； 三是带有mmc单元，可运行功能强大的windows ce、linux等嵌入式操作系统，即方便实现复杂任务的管理，又带有完善的网络支持。,（2） 在面向快速网络应用的低成本、低功耗的网络应该系统和网络设备中，例如视频监控系统，微处理器一般可以选择内部带有以太网mac控制器的cortex-m3、cortext-m4处理器器，例如stm32f107、stm32f207 、stm32f407等，内部集成了以太网10/100m mac模块，支持10m/100m自适应网络应用。,（3）在面向慢速网络应该的应用系统中，对数据传输的速度要求不高，通常只需要完成现场传感器数据采集与传输、远程设备控制等功能，这里可选择内部不带以太网mac控制器的微处理器，然后外加一个以太网模块即可。,二、mcu + enc28j60以太网控制器,enc28j60以太网控制器，适合于创建占位小、成本低、精简的嵌入式网络应用。在此之前，嵌入式设计人员在为远程控制或监控提供应用接入时可选的以太网控制器都是专为个人计算系统设计的。 目前市场上大部分以太网控制器采用的封装均超过80引脚，而符合ieee 802.3协议的enc28j60只有28引脚，就能既提供相应的功能，又可以大大简化相关设计，并减小占板空间。 此外，enc28j60以太网控制器采用业界标准的spi串行接口，只需4条连线即可与主控单片机连接。 这些功能加上由microchip免费提供的、用于pic18f单片机的tcp/ip软件堆栈，使之成为目前市面上最小的嵌入式应用以太网解决方案。,enc28j60的典型应用电路如图所示。要将单片机连接到速率为10 mbps 的以太网，只需enc28j60、两个脉冲变压器和一些无源元件即可。,图22-2 enc28j60的典型应用电路,enc28j60与stm32的连接图,三、stm32f107、stm32f207 、stm32f407 +dp83848,型号为dp83848c的phyter商用收发器可为系统开发商提供一个稳定可靠、成本低廉的优质网络解决方案，让他们可以为家庭电器用品添加连线功能。美国国家半导体的dp83848c芯片除了具有符合ieee 802.3u技术标准、unh运作互通认证、auto-mdix及长达137米的电缆联系等优点之外，还设有多种有助节省系统成本的功能，这是市场上其他物理层芯片产品所没有的。例如，dp83848c芯片可以提供25mhz的时钟输出，因此系统无需另外添加媒体存取控制(mac)时钟电路，有助节省电路板板面空间及成本。若这两方面所节省的开支换算为每端口可节省成本，换算结果显示每端口可节省高达0.75美元的成本。,独立于介质的接口：mii,独立于介质的接口(mii)用于mac子层和phy之间的互联，允许10m位/s和100m位/s数据传输。,为了产生tx_clk和rx_clk时钟信号，外接的phy模块必需有来自外部的25mhz时钟驱动。除了使用外部的25mhz晶体提供这一时钟外，stm32f207xx微控制器也可以通过mco引脚来提供这一时钟；此时需要合适地配置pll，将来自外部25mhz晶体的mcu时钟从mco引脚输出出去,精简的独立于介质的接口：rmii,精简的独立于介质接口(rmii)规范减少了与10/100m位/s通信时，stm32f207xx以太网模块和外部以太网之间的引脚数。根据ieee802.3u标准，mii接口需要16个数据和控制信号引脚，而rmii标准则将引脚数减少到了7个(减少了62.5%的引脚数目)。 rmii模块用于连接mac和phy，该模块将mac的mii信号转换到rmii接口上。,rmii模块具有以下特性： 支持10m位/s和100m位/s的通信速率。 时钟信号需要提高到50mhz。 mac和外部的以太网phy需要使用同样的时钟源 使用2位宽度的数据收发,四、arm mpu + cs8900a,cs8900芯片是cirrus logic公司生产的一种局域网处理芯片，在嵌入式领域中使用非常常见。它的封装是100-pin tqfp，内部集成了在片ram、10base-t收发滤波器，并且提供8位和16位两种接口。cs8900与arm芯片按照16位方式连接，网卡芯片复位后默认工作方式为i/o连接，基址是300h。 cs8900a还提供其它性能和配置选择.它独特的packet page结构可自动适应网络通信量模式的改变和现有系统资源,从而提高系统效率。,mcu与cs8900a的数据传输有三种模式:i/o模式,存储器模式和dma模式.本设计采用cs8900a默认的i/o模式,因为i/o模式简单易用. 在i/o模式下,通过访问8个16位的寄存器来访问packetpage结构,这8个寄存器被映射到2410地址空间的16个连续地址。当cs8900a上电后,寄存器默认的基址为0x300h。,五、arm mpu + rtl8019as,rtl8019as 是高度集成以太网控制器，为了提供完全解决即插即用方案，rtl8019as 在集成10baset 收发器，bnc,和aui 接口之间的自动检测功能。此外，8 条irq 总线和16 条基本地址总线为大资源情况下提供了宽松的环境。 rtl8019as 支持16k，32k，和64k 字节brom 和闪存接口。它仍然提供页面模式功能，这种功能能支持在仅16k 字节内存系统空间下的4m 字节的brom. 此外，brom 的无用命令被用来释放brom 内存空间。rtl8019as 用16k 字节sram 设计在单片芯片上，它的设计不仅提供了更多友好的功能，而且节省了sram 存储资源。,rtl8019选择的端口i/o基地址为300h。它的地址偏移量共32个,用到的地址空间为300h-31fh,将地址线sa0-sa4与cpu的a0-a4连接,sa8-sa9接高电平,其余地址线接低。arm的a22和ngcs3信号的连接,确定地址映射在系统的哪个bank上,从而确定基地址。如若a22接sa8，ngcs3接sa5，那么寻址范围就是0x8340001f0x83400000。,6、arm mpu + dm9000,该dm9000是一款完全集成的和符合成本效益单芯片快速以太网mac控制器与一般处理接口，一个10/100m自适应的phy和4k dword值的sram 。它的目的是在低功耗和高性能进程的3.3v与5v的支持宽容。 dm9000还提供了介质无关的接口，来连接所有提供支持介质无关接口功能的家用电话线网络设备或其他收发器。该dm9000支持8位， 16位和32 -位接口访问内部存储器，以支持不同的处理器。 随着其成本的降低和功能的强大越来越被广泛使用。,对dm9000读写操作,首先对dm9000正确寻址。aen(地址允许)是输入引脚片选信号。sa4sa9是地址总线49位,当aen低且sa9和sa8高,而sa7、sa6、sa5、sa4为低时,则dm9000被选中。dm9000默认i/0基地址为300h。 cmd引脚用于设置command模式,cmd为高时,选择数据端口。cmd为低时,选地址端口。数据端口和地址端口的地址码由下式决定: dm9000地址端口=高位片选地址+300h+0h dm9000数据端口=高位片选地址+300h+4h 其中,高位片选地址由s3c2410的ngcs3提供,总结,可以看出cs8900a的接线最为复杂需要将地址线全部接上,cs8900a支持内存模式和io模式; rtl8019功能较cs8900a强大,提供了brom接口,采用寄存器统一编址,驱动简单.接线相对简单只要若干根地址线; dm9000,功能最强大,自适应以太网速度(10m/100m).接线最为简单只要一个地址线+一个片选线.,s3c2440+cs8900a以太网设计方案,1以太网接口芯片cs8900a特点,符合ieee 8023以太网标准，并带有isa接口。 片内4k字节ram。 适用于i/o操作模式、存储器操作模式和dma操作模式。 模拟前端包括有曼彻斯特编译码器、时钟恢复电路、10base2t收发器和滤波器。 支持10base2、10base5和10base f的aui接口。,带有mac（medium access control，媒体访问控制）引擎，能自动生成报头、自动进行crc检验、冲突后自动重发等。 最大电流消耗为55ma（5v 电源）。 全双工操作。 支持外部e2prom。 突出的特点是使用灵活，其物理层接口、数据传输模式和工作模式等都能根据实际系统需要来动态调整，并且通过内部寄存器的设置来适应不同的应用环境。,2s3c2440与cs8900a的连接,（1）cs8900a支持的i/o模式是访问cs8900a存储区的默认模式，比较简单易用，所以在本系统中选用i/o模式。 1）mcu通过 、 、 等信号线来实现对cs8900a进行控制和读写操作。 2）mcu对采用中断方式来进行数据的接收，由于cs8900a和单片机的中断电平是相反的，因此中断信号线间需接一个非门。,、,、,3）cs8900a与mcu之间的数据传输采用的是默认的i/o模式，需要将读写引脚和置高，以关闭memory方式。在此模式下，用4根地址线就可以实现对所有寄存器的访问。引脚sa0sa3对应接到mcu的地址线a11a14。 4）为了保证默认偏移地址是0x0300，须将sa8和sa9置高外，其余不用的地址线都接低电平。,cs8900a接收网络数据和发送mcu的数据都要经过隔离变压器（带扼流圈的），它的作用是将外部线路与cs8900a隔开，特别是对传输信号中的支流信号进行隔离，防止干扰和烧坏元器件，以及对输出信号进行平衡，并实现带电的热插拔功能。cs8900a与mcu的硬件连接框图如图4-7所示。,图4-7 cs8900a与嵌入式微控制器的硬件连接框图,（2）s3c2440与cs8900a的连接图如图4-8所示，包括16条数据线、20条地址线