基于IP2022的嵌入式設備與以太網(wǎng)互連系統的設計

1 引言

　　隨著(zhù)Internet技術(shù)的日益普及，信息共享的程度不斷提高。據網(wǎng)絡(luò )專(zhuān)家預測，將來(lái)在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸的信息中，70%左右是來(lái)自小型嵌入式設備，互聯(lián)網(wǎng)應用正在轉到以嵌入式設備為中心。由于在工業(yè)測控系統、智能儀器、智能家電等領(lǐng)域應用的許多嵌入式設備，它們的對外通訊接口仍然是易用性強、可靠性高的串口，因此如何將工業(yè)中已經(jīng)大量應用的帶有串口的嵌入式設備接入網(wǎng)絡(luò )，就成了一項重要而迫切的課題。

　　本文就是在這種應用現狀背景下，以IP2022網(wǎng)絡(luò )處理器為核心，設計實(shí)現了帶有RS-485串口的嵌入式設備與以太網(wǎng)的互聯(lián)系統。系統實(shí)現了通用異步收發(fā)機（UART）、以太網(wǎng)驅動(dòng)器外設和TCP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧功能，為嵌入式設備接入以太網(wǎng)提供了一個(gè)軟硬件平臺。

　　2 系統的硬件設計

　　2.1 IP2022簡(jiǎn)介

　　IP2022是美國Ubicom公司推出的一顆功能強大的網(wǎng)絡(luò )通信處理器，在4.8MHz晶振驅動(dòng)下，利用其內部的鎖相環(huán)（PLL）電路，CPU工作頻率可達到120MHz，并且大多數指令均為單周期執行，其吞吐量能滿(mǎn)足各種新型網(wǎng)絡(luò )連通應用的要求。IP2022的內部結構如圖1所示。

　　IP2022內含全雙工串化器/解串器（Ser/Des），能直接與各種常用網(wǎng)絡(luò )接口連接，可實(shí)現片內10Base-T以太網(wǎng)（MAC和PHY）、 UART以及其它各種快速串行協(xié)議。IP2022以軟件模塊（ip Modules）形式實(shí)現外設通信和控制功能，比傳統硬件具有更大的系統設計靈活性。IP2022還提供有TCP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧，并具有一系列完整的端到端連通方案所必須的附加軟件。IP2022由于其內含兩個(gè)Ser/Des部件，能方便的從一種格式轉換為另一種格式，所以也能做協(xié)議轉換器。

　　2.2 系統硬件總體結構

　　系統的硬件主要由IP2022網(wǎng)絡(luò )處理器、RS-485接口電路、以太網(wǎng)接口電路和電源電路等組成。IP2022網(wǎng)絡(luò )處理器是整個(gè)系統的核心，主要完成數據的轉換和系統的控制。以太網(wǎng)接口電路實(shí)現與10Base-T Ethernet的連接。RS-485接口電路實(shí)現與帶有RS-485接口的嵌入式設備的連接。電源電路提供了系統所需的+5V、+3.3V、+2.5V 電源。系統的硬件結構如圖2所示。

　　2.3 系統的RS-485接口電路

　　RS-485標準由于具有良好的抗噪聲干擾性，長(cháng)的傳輸距離及多站傳輸能力等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為分布式系統中數據傳輸的首選標準。但在實(shí)際使用過(guò)程中如果使用不當，數據傳輸就會(huì )出現誤碼。

　　為了抑制誤碼，在本設計中，我們用了兩片具有瞬變電壓抑制功能的SN75LBC184，把輸入和輸出的線(xiàn)路分開(kāi)，使輸入和輸出的信號互不干擾。SN75LBC184帶有內置高能量瞬態(tài)噪聲保護裝置，提高了抵抗數據同步傳輸電纜上的瞬變噪聲的可靠性。該芯片以差分方式傳輸信息，抗共模干擾能力強，容許一對雙絞線(xiàn)上一個(gè)發(fā)送器驅動(dòng)多個(gè)負載設備，其最大容許通信距離達到1200米。圖3給出了系統的RS-485接口電路的原理示意圖。通過(guò)反復試驗，在輸入端加裝3.3K偏置電阻，串聯(lián)1K串聯(lián)電阻，使輸入信號波形最好；在輸出端，加裝18K偏置電阻。

　　SN75LBC184工作電壓為+5V，而IP2022的I/O端工作電壓為+3.3V。這樣一來(lái)，接收外部信號時(shí)，就可能因為電壓過(guò)高而對 IP2022的I/O端口造成損壞。所以設計時(shí)就在SN75LBC184和IP2022之間加了一個(gè)電壓轉換芯片74LVX4245。該芯片一端信號使用+5V，另一端信號使用+3.3V，通過(guò)使能端來(lái)控制信號的流向，這就有效的維護了IP2022的工作穩定性和安全性。

　　2.4 系統的以太網(wǎng)接口電路[5]

　　IP2022芯片內含全雙工串化/解串器（SER/DES），能夠實(shí)現片內10Base-T以太網(wǎng)（MAC和PHY）。在設計外部接口電路時(shí)，不需要使用專(zhuān)用的以太網(wǎng)接口芯片，只需直接將IP2022的輸入輸出信號線(xiàn)與網(wǎng)絡(luò )變壓器連接。圖4給出了系統的以太網(wǎng)接口電路的原理示意圖。

　　IP2022使用了6根I/O引腳，這6根I/O引腳與串化器/解串器1相連。其中用于發(fā)送的四根引腳各聯(lián)接一個(gè)電阻，這四個(gè)電阻聯(lián)合給出了100Ω的阻抗。TX+/TX-為差分發(fā)送線(xiàn)對，RX+/RX-為差分接收線(xiàn)對，使用差分平衡傳輸，傳輸速度可達到10Mbps。

　　FB2022是一個(gè)內部帶有低通濾波器的網(wǎng)絡(luò )變壓器，負責將IP2022輸出差分電壓放大之后傳給RJ45，將輸入的差分電壓變壓縮小之后傳給IP2022，保護IP2022芯片不受損壞。

　　在RX+和RX-之間跨接100Ω的耦合電阻，提高通信線(xiàn)路的穩定性。RJ45為標準的雙絞線(xiàn)以太網(wǎng)接口插座。