汽车电子之引入以太网的电路设计

车辆中引入以太网连接正成为一种快速发展的趋势。100Mbps标准提供快速强大的数据互连，适用于ADAS功能，例如诊断和Flash下载、远程信息处理和雷达。它还支持新一代信息和娱乐消费电子应用。随着以太网功能的扩展，它将成为车辆的高宽带基础。

控制器局域网（Controller Area Network，CAN）总线是为解决现代汽车控制设备与测试仪器之间数据交换而开发的一种串行数据通信协议，主要用于各种设备的检测及控制。

1 芯片选择

1.1 CP2200芯片介绍

CP2200芯片是Sificon Labs公司推出的工业界体积最小、性能最高、8位总线控制的以太网驱动芯片，支持IEEE802·3以太网媒体访问MAC控制协议，支持 10BASE／T物理层，完全兼容100／1 000 BASE T网络，可以工作在全双工或半双工模式，能进行自动极性检测和纠正，具有碰撞自动重发功能，能自动填充和生成CRC，支持广播和多播。CP2200内部带有2 k字节的发送缓存和4 k字节的接收缓存，还有8 k字节的内部Flash存储器，用于存储用户常数、Web服务器内容，它的最后6个存储单元是工厂预编程的唯一48位MAC地址。此芯片采用48管脚的 TQFP封装，工作的温度范围在-40～+85℃，可为具有11个以上I／O引脚的微处理器扩展以太网通信功能。此芯片具有30 Mb／s速率的并行主机接口，支持Intel和Motorola两种总线方式。

CP2200的多种集成功能（如CRC校验、数据滤波等）有效减轻了单片机的载荷，它内部的收发接口单元操作起来灵活方便，为以太网数据包提供了有效缓冲。使用该芯片时，电路只需增加1个RJ-45快速以太网接口即可，其工作特性可以满足CAN总线的传输波特率要求。其内部结构如图1所示。

图1 CP2200的结构框图

1.2 C8051F040芯片介绍

C8051F系列单片机是Silicon Labs公司推出的系统级芯片，具有与80C51兼容的CIP-51内核。C8051F040内部集成的CAN控制器包括1个CAN内核、消息RAM（独立于CIP-51内核）、消息处理单元、控制寄存器等。C8051F040内部包含1个CAN协议控制器，并没有提供物理层的驱动器，实现与CAN总线的接口。数据接收和滤波都由CAN控制器完成，不需要CIP-51内核的参与。这种方式可使CAN通信时占用的系统资源最小。CIP-51内核通过配置其内部的特殊功能寄存器来实现CAN的数据交互。其内部结构如图2所示。

图2 C8051F040内部CAN结构框图

2 系统硬件设计

系统电路如图3所示，由CP2200、C8051F040、CAN驱动芯片的SN65HVD230 等组成。其中CP2200与HR911105A组成以太网电路部分，SN65H-VD230单个组成CAN收发电路。工作原理如下，当CP2200收到以太网数据时，触发C8051F040的INTO，C8051F040把数据从CP2200的接收缓冲区拷贝到其内存空间，然后通过SN65HVD230转发到CAN网络；当CAN数据有要发送到以太网，C8051F040收到数据后，就向CP2200的发送缓冲区转发数据，最后由CP2200通过 HR911105A发到以太网。

图3 以太网-CAN转换卡硬件电路框图

系统的硬件电路原理可参考图4。其中，要特别注意CP2200控制器与RJ-45的连接电路，因为这些参数对通信的可靠性影响很大。

CP2200的外围电路比较简单，主要考虑其复位引脚、晶振输入、并行接口和与以太网变压器的连接。

CP2200具有上电复位功能。一旦VDD上升到某个门限值后，就会在片内产生上电复位脉冲。当VDD上升到足够器件上作时，器件会以初始化状态启动。CP2200支持软件复位，可以通过并口将复位寄存器置位来实现软件复位。

CP2200的工作频率为20MHz，晶振连接在XTAL1和XTAL2之间。CP2200也可由连接到XTAL1引脚的外部时钟源驱动。

CP2200的并行主机接口，支持Motorola和Intel两种总线方式，且支持地址数据复用和非复用方式。可以通过将MUXEN和MOTEN引脚接地或拉高电平来实现对主机接口总线方式的配置。

要实现以太网接口，以太网变压器是不可缺少的。在差分接收引脚（RX+／RX-）上，需要1个专用于10BASE-T操作的l：1脉冲变压器；在差分发送引脚（TX+／TX-）上，需要外接1个带有中心抽头的l：2．5脉冲变压器。变压器应具有2 kV以上的电压隔离性能，以防止静电干扰。发送端需要2个8Ω（精度为1％）的电阻和1个560pF的电容与特定端相连，接收端需要1个100Ω电阻与特定端相连。