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DSP控制的以太网通信解决方案

时间:06-14 11:06 阅读:2593次

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简介：为了实时采集基于DSP的电力电子变换电路控制器的运行数据，通过ARM芯片及以太网PHY控制器芯片提供一种以太网通信解决方法。采用DSP中的SPI串行接口与ARM中的SPI进行数据交换，利用ARM中带有的EMAC控制器以及以太网控制芯片DP83848设计出以太网控制器，实现以太网通信。考虑到系统简化及数据速率问题，在通信协议方面采用UDP协议，采用LabVIEW设计以太网上位机界面。

随着以太网技术在工业控制领域的迅速发展、性能的不断提高和成本的迅速降低，使其在新一代工业自动化网络中广泛应用。在采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812作为电力电子变换电路控制器核心时，为了监控控制器的运行状况，可以采用串口通信。这种方式结构简单，但满足不了速度、精度以及通信距离的要求。将带有EMAC控制器的ARM处理器（LPC1768）与DP83848组成以太网控制器构成一个通信转接器，ARM与DSP通过SPI通信，以太网接口与上位机通信，则能满足实时、高精度监控的需要。

1 以太网控制器的主要特点

以太网控制器DP83848是TI推出的一款48个引脚的以太网控制器，可为嵌入式应用提供低引脚数、低成本且高效、低功耗的以太网解决方案。利用DP83848可以实现高速外围器件的设计以及工业自动化网络的控制。其主要特点有以下几个方面。

（1）3.3 V供电的低功耗设计（典型值小于270 mW），0.18 μm的CMOS技术。

（2）3.3 V的MAC接口。

（3）支持10BASE-T和100BASE-TX的以太网格式。

（4）完全兼容IEEE802.3标准。

（5）可编程的LED连接，10/100 Mb/s的模式选择以及冲突检测。

（6）同时具有SNI、MII和RMII接口。

系统框图如图1所示。

2 硬件系统的设计

对于以太网控制器的设计，不但要考虑系统所具备的功能，也要考虑价格、体积等因素。这里采用ARM处理器LPC1768作为以太网的主控芯片。其采用低功耗设计，供电电压为3.3 V；主频可达100 MHz；哈佛总线结构；支持JTAG调试；片内有512 KB Flash存储器，64 KB数据存储器；采用100引脚的LQFP封装格式。LPC1768与DP83848的硬件连接示意图如图2所示。

以太网控制器工作在RMII模式下，由参考时钟REF_CLK、发送使能TX_EN、发送数据TXD[0：1]、接收数据RXD[0：1]、接收错误RX_ER及载波侦听/接收数据有效CRS组成。关键引脚描述如下。

（1）参考时钟REF_CLK

REF_CLK是一个连续时钟，可以为时钟提供时序参考。REF_CLK由MAC层或外部时钟源提供。在RMII模式下，数据以50 MHz的时钟频率一次传送2 bit。因此，RMII模式需要一个50 MHz有源振荡器连接到X1脚。

（2）发送使能TX_EN

TX_EN表示MAC层正在将要传输的双位数据放到TXD[1：0]上。TX_EN应被前导符的首个半字节同步确认，且在所有待传双位信号载入过程中都保持确认。跟随一帧数据的末2位之后的首个REF_CLK上升沿之前，MAC需对TX_EN取反。TX_EN的变化相对于REF_CLK是同步的。

（3）发送数据TXD[1：0]

RMII发送时序图如图3所示。

（4）接收数据RXD[0：1]

RXD[0：1]转换是与REF_CLK同步的。在CRS_DV有效后的每个时钟周期里，RXD[1：0]接收DP83848C的2 bit恢复数据。在某些情况下（如数据恢复前或发生错误），则接收到的是RXD[0：1]的预确定值而不是恢复数据。CRS_DV解除确认后，RXD[0：1]为“00”，表示进入空闲状态。CRS_DV确认后，在产生正确的接收解码之前，DP83848C将保证RXD[0：1]=“00”。

3 系统通信协议的分析与选择

（1）链路层协议的选择

链路层最基本的功能是向该层用户提供透明、可靠的数据传送基本服务，为了使链路层对网络层进行无差错的传输，链路层加强物理层传输的原始比特流，使之形成在逻辑上没有错误的数据链路。在以太网传输数据时需识别地址，因此采用MAC地址进行标识，所以只有存在地址解析（ARP）协议，才能实现IP地址到MAC地址的转换功能。

（2）网络层协议的选择

网络层的基本功能是当数据包在网络中活动时，处理其活动的方法。IP协议是最核心的协议，它负责系统与Internet进行通信。IP层有两个功能：对IP报文报头进行正确性分析，并对TCP和ICMP报文实行分流。使用Ping协议检测网络是否连通。

（3）传输层协议的选择

传输层协议主要在主机和单片机端到端的通信。传输层有两种不相同的传输协议：传输层控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）。考虑到系统简化和速度的要求，采用UDP协议。

4 系统软件设计

软件设计分为以太网通信的实现以及DSP和ARM的SPI通信两个部分。

4.1 以太网通信的实现

以太网控制器DP83848对以太网链路层进行控制，LPC1768则完成其他层的协议调节，以太网控制器由LPC1768控制，完成整个以太网通信传输。在实现通信时，首先控制DP83848复位，并初始化芯片中的寄存器。当满足发送和接收条件时，系统开始发送和接收数据。当满足以下条件时，以太网控制器向LPC1768申请中断，即一帧数据发送结束、接收到一帧数据或出错等事件发生。主控制器中断后，事件根据中断状态寄存器的内容进行分类处理。通信数据打包解包的完成由LPC1768内部程序进行处理，系统复位后，程序首先发送地址解析协议（ARP）请求，建立地址映射，并且内部中断进行定时更新。LPC1768按照UDP协议格式打包，送入DP83848，由此芯片控制数据链路层将数据输出到局域网中。反之，当有数据从局域网过来时，DP83848产生外部中断，主控芯片可以对此作出相应处理。发送流程程序框图如图4所示，接收流程框图如图5所示。