基于DSP的自適應光纖/千兆網(wǎng)接口設計

　　本文以DSP芯片C6455為應用平臺，介紹了一種自適應的光纖和網(wǎng)絡(luò )接口通信設計方法。系統具有兩個(gè)光纖和網(wǎng)絡(luò )接口，可以自動(dòng)識別所插入的設備，在不斷電情況下可以任意交換接口，無(wú)須用戶(hù)參與。文中詳細介紹了該系統的軟硬件設計方法。

　　引言

　　遵循IEEE802．3標準的網(wǎng)絡(luò )通信已經(jīng)應用到較廣泛的場(chǎng)合。其具有連接方便、即插即用的特點(diǎn)。網(wǎng)線(xiàn)物理結構一般使用五類(lèi)或者六類(lèi)屏蔽雙絞線(xiàn)，在由金屬制作的物體上傳遞信號，存在線(xiàn)纜衰減、串擾，受環(huán)境影響較大。在高速千兆長(cháng)距離傳輸速度下，網(wǎng)絡(luò )傳輸的誤碼率增加，傳輸性能下降較快，所以基于網(wǎng)線(xiàn)的傳輸距離一般不大于100 m。為了實(shí)現長(cháng)距離通信，使用光作為傳輸媒介的光纖通信得到應用和發(fā)展。光纖通信可以長(cháng)距離進(jìn)行，光信號衰減小，抗串擾能力強。在使用10 μm的單模光纖時(shí)，傳輸距離高達5 000 m，滿(mǎn)足大部分應用場(chǎng)合。

　　DSP(數字信號處理器)具有較高的工作頻率，其內部集成硬件網(wǎng)絡(luò )MAC接口，外接一個(gè)物理層芯片就可以方便地實(shí)現千兆網(wǎng)絡(luò )通信?？梢酝ㄟ^(guò)硬件或者軟件配置方法實(shí)現千兆網(wǎng)絡(luò )和光纖接口的在線(xiàn)切換。本文介紹一種基于高速數字信號處理器TMS320C6455的嵌入式千兆網(wǎng)接口設計，并通過(guò)軟硬件自適應配置網(wǎng)絡(luò )或光纖接口。

　　1 C6455及其結構

　　C6455是TI公司功能較強的定點(diǎn)DSP之一，其最高工作頻率達到1．25 GHz，單個(gè)指令周期可以運行8條32位指令。全速運行可以提供9 600 MIPS定點(diǎn)計算能力。C6455的內部結構如圖1所示。

　　C6455具有32 KB的一級數據Cache(L1D)、32 KB的一級程序Cache(L1P)以及較大容量的2 MB的2級存儲空間，芯片片內有一個(gè)32 KB的ROM。C6455具有DDR2控制器接口，可以外接DDR2，直接尋址范圍達到512 MB。C6455的片內外設有RapidIO、PCI、EMIF、千兆網(wǎng)口以及SPI、I2C總線(xiàn)、GPIO等接口。這些接口通過(guò)片內的高速互聯(lián)總線(xiàn)和CPU處理器交互數據。千兆網(wǎng)口片內集成MlAC層芯片，該MAC層芯片具有EMAC模塊和MDIO模塊。所以，C6455用于網(wǎng)絡(luò )通信，只需要外接一個(gè)物理層芯片就可以了。其中的MDIO模塊用于和物理層芯片建立連接，如果出現接口切換、掉電等情況，都可以通過(guò)MDIO接口獲得相應信息。EMAC模塊用于數據的收發(fā)，C6455片內集成8個(gè)8K的收發(fā)緩沖區。使用TI公司免費提供的NDK(Net Development Kit)軟件，可以很方便地建立網(wǎng)絡(luò )通信。

　　2 88E1111及其結構

　　能夠和C6455連接的物理層芯片很多，基本上大部分公司的物理層芯片都可以和C6455連接，但不同公司的芯片需要改變NDK軟件中的部分寄存器設置。本文使用Marvell公司的88E1111物理層芯片進(jìn)行光纖和千兆網(wǎng)絡(luò )的連接。88E1111的片內結構如圖2所示。

　　網(wǎng)絡(luò )RJ45接口發(fā)送過(guò)來(lái)的數據經(jīng)過(guò)A／D轉換器轉換，數字信號經(jīng)過(guò)譯碼濾波和均衡后由接收單元傳輸到MAC芯片，實(shí)現了數據的接收。 MAC發(fā)送的數據經(jīng)過(guò)整形濾波后由D／A轉換器變換成模擬信號發(fā)送到RJ45接口。為了降低誤碼，88E1111內部具有PLL鎖相環(huán)、增益控制、時(shí)序控制和相位控制、回音抵消等模塊，這些模塊都是為了提高數據傳輸的可靠性，在不同環(huán)境或者不同外接設備下，都可以高速、可靠地通信。

　　圖2中的LED控制模塊實(shí)現數據傳輸時(shí)的燈光顯示，MDIO模塊建立鏈接，JTAG用于芯片仿真測試，時(shí)鐘模塊提供工作時(shí)鐘，電源復位用于啟動(dòng)工作。

　　3 硬件設計

　　硬件設計主要包括C6455和88E1111的接口設計、88E1111和RJ45的接口設計、88E1111和光纖的接口設計、88E1111的硬件配置設計等幾個(gè)部分。

　　C6455和88E1111的接口電路如圖3所示。C6455采用RGMII(RedtJced Gigabit Media Independent Interface)接口，兼容10／100M工作方式。其中，RGTXC和RGRXC為發(fā)送和接收時(shí)鐘，在時(shí)鐘的上升和下降沿都可以傳輸數據，收發(fā)均采用4線(xiàn)，如圖3中的RGTXD[3：0]和RGRXD[3：0]引腳。RGTXCTL為發(fā)送使能引腳，RGRXCTL為接收控制引腳，該引腳電平出現上升沿時(shí)，表示接收數據有效。RGMDIO和RGMDCLK為MDIO模塊的數據和時(shí)鐘信號，用于C6455和88E1111建立連接。C6455可以通過(guò)該接口配置88E1111，或者讀取88E1111的信息。由于88E1111的MDIO模塊輸出為2．5 V電壓，而C6455采用1．5 V電壓，所以?xún)烧咧g需要增加電壓轉換芯片，本設計采用SN74TVC3306實(shí)現電壓轉換，接口電路如圖4所示。

　　88E1111和RJ45的接口如圖5所示。圖中H5062為網(wǎng)絡(luò )隔離變壓器，其工作原理是利用特性阻抗的耦合特性，降低插入損耗、回音以及串擾，提供網(wǎng)絡(luò )濾波，減少傳輸介質(zhì)上的干擾。88E1111和H5062采用差分連接線(xiàn)，一般需要使用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )，如圖中的R1和C1。H5062和RJ45之間也需要阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )，如圖中的R2和C2。

　　88E1111和光纖的接口如圖6所示。使用兩片光收發(fā)器芯片SSFF135連接光纖和DSP。將光收發(fā)器的發(fā)送和接收引腳對應連接到C6455就可以了。為了阻抗匹配，使用了電阻電容隔離電路。

　　可以通過(guò)設置88E1111的配置引腳，將外設接口配置成RJ45或者光纖。配置成RJ45的硬件設置如圖7所示，圖7中可以不使用電阻，為了調試和測試方便，可以增加一個(gè)0 Ω的電阻。如果將接口配置成光纖接口，根據88E1111的技術(shù)手冊，按照其說(shuō)明配置即可。硬件配置接口后，系統將固定為一種接口方式，如果外設需要自適應配置接口方式，就需要采用軟件方法。

　　4 軟件設計

　　在不掉電情況下切換接口就需要C6455實(shí)時(shí)檢測到硬件配置的改變。接口切換的軟件配置流程如圖8所示。

　　只要接口切換，88E1111會(huì )自動(dòng)檢測到硬件發(fā)生變化，并且將狀態(tài)存儲到其寄存器中，發(fā)送EMAC中斷到C6455。C6455接收到中斷請求后，通過(guò)MDIO接口讀取88E1111寄存器的值，并根據設置重新配置88E1111，重新配置后，網(wǎng)絡(luò )的連接將重新建立，建立后就實(shí)現了硬件的當前配置狀態(tài)，完成在線(xiàn)接口的切換。C6455和88E1111的數據通信流程如圖9所示。

　　結語(yǔ)

　　網(wǎng)絡(luò )和光纖數據傳輸是嵌入式系統廣泛使用的方式，本文介紹了基于C6455的千兆網(wǎng)口和光纖接口的自適應數據通信，可以在系統不掉電情況下，在兩個(gè)接口之間自動(dòng)切換，文中介紹了該數據通信系統的軟硬件設計方法。該方法可以應用于嵌入式系統中，可以無(wú)需光纖路由器實(shí)現千兆網(wǎng)和光纖的數據通信。