基于微控制器μPSD3254和RTL8019AS實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)橋的設(shè)計(jì)

1 車速傳感器性能測試平臺(tái)簡介

車速傳感器是電控汽車的關(guān)鍵部件，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)怠速和變速器控制，因此，必須對其各項(xiàng)性能進(jìn)行全面嚴(yán)格的測試。而這一系列的性能測試又有賴于一個(gè)穩(wěn)定、高效的測試平臺(tái)。傳統(tǒng)測試平臺(tái)通常采用由測試設(shè)備、測試操作臺(tái)計(jì)算機(jī)和后臺(tái)管理計(jì)算機(jī)組成的三級系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

在此測試平臺(tái)中，測試設(shè)備一般只提供串行通信接口（如RS-232、RS-485等），無法直接接入管理計(jì)算機(jī)所在局域網(wǎng)（如最常用的Ethernet）。所以，整個(gè)系統(tǒng)必須通過一個(gè)測試操作臺(tái)計(jì)算機(jī)將上層局域網(wǎng)和底層串行總線網(wǎng)絡(luò)連接起來以保證實(shí)測數(shù)據(jù)（各項(xiàng)性能指標(biāo)數(shù)據(jù)）的順利上傳和測試操作命令（如車速傳感器耐溫測試、動(dòng)／靜態(tài)特性測試）的準(zhǔn)確下達(dá)。為此不但要增設(shè)測試操作臺(tái)計(jì)算機(jī)工作站，同時(shí)還必須安裝各種串行口通信卡、以太網(wǎng)網(wǎng)卡和相應(yīng)的板卡驅(qū)動(dòng)程序，開發(fā)包含串行口通信模塊和以太網(wǎng)通信模塊的測控軟件。由此可見，由于通信接口和協(xié)議的不兼容，使得傳統(tǒng)車速傳感器性能測試平臺(tái)不僅軟硬件投資成本高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試和維護(hù)工作量大，而且管理計(jì)算機(jī)和測試設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸要經(jīng)過中轉(zhuǎn)，傳輸過程顯得過于復(fù)雜。

2 基于串行口-以太網(wǎng)橋的測試平臺(tái)

通過對圖1所示測試平臺(tái)的研究，發(fā)現(xiàn)造成系統(tǒng)平臺(tái)成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、中間處理過程繁多的根本原因是底層各測試設(shè)備和上層局域網(wǎng)通信接口、協(xié)議的不兼容。一般來說，底層測試設(shè)備需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很小，大多只提供通信距離短、成本低的串行口（如RS-232、RS-485）；而上層的局域網(wǎng)大多采用以太網(wǎng)。所以針對此類應(yīng)用，可以開發(fā)一種基于微處理器的嵌入式串行口-以太網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換，直接將各種僅支持串行口的測試設(shè)備接入以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)各測試設(shè)備與管理計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)的無縫連接，簡化數(shù)據(jù)傳輸過程。

引入嵌入式串行口-以太網(wǎng)橋后的車速傳感器性能測試平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

相比圖1所示的傳統(tǒng)測試平臺(tái)，新測試平臺(tái)下的串行口-以太網(wǎng)橋負(fù)責(zé)完成串行口測試設(shè)備和以太網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換（即在底層完成串行幀數(shù)據(jù)和以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換），實(shí)現(xiàn)了各測試設(shè)備和以太網(wǎng)的無縫連接，簡化了數(shù)據(jù)傳輸過程。測試人員可以在遠(yuǎn)端通過上層管理計(jì)算機(jī)直接下達(dá)各種測試命令來控制各測試設(shè)備完成傳感器各項(xiàng)性能指標(biāo)的測試；而各項(xiàng)實(shí)測數(shù)據(jù)也能從各測試設(shè)備直接傳送到后臺(tái)管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理；從而使后臺(tái)管理計(jì)算機(jī)能以多任務(wù)方式同時(shí)完成前臺(tái)測試設(shè)備控制和后臺(tái)數(shù)據(jù)處理（如數(shù)據(jù)報(bào)表統(tǒng)計(jì)分析，圖形曲線顯示和數(shù)據(jù)庫更新），成為平臺(tái)中的管控一體化工作站，省去了原平臺(tái)中的測試操作臺(tái)計(jì)算機(jī)工作站，測試人員也不必再親臨現(xiàn)場進(jìn)行各種測試操作，極大地降低了工作強(qiáng)度。這樣一來，不僅使系統(tǒng)成本大為降低、體積大為縮小、結(jié)構(gòu)更加簡單，同時(shí)將前臺(tái)測試控制和后臺(tái)數(shù)據(jù)處理集中于一臺(tái)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了管控一體化，節(jié)省了人力資源，使得系統(tǒng)的軟硬件資源得到了最大限度的利用。

3 串行口-以太網(wǎng)橋設(shè)計(jì)

通過新舊測試平臺(tái)對比，可以看到測試設(shè)備和后臺(tái)管理計(jì)算機(jī)兩大部件在性能和成本上基本相同。所以新測試平臺(tái)的性能好壞和成本高低很大程度上取決于新引入的嵌入式串行口-以太網(wǎng)橋的性能和成本。目前嵌入式產(chǎn)品市場上此類網(wǎng)絡(luò)設(shè)備大多是基于高檔微處理器和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開發(fā)的，其價(jià)格昂貴，且提供的串行口也只有1～2個(gè)，不適合需將多個(gè)串行口設(shè)備集中接人以太網(wǎng)，同時(shí)又要控制成本的應(yīng)用場合。本文根據(jù)這類具體的應(yīng)用需求在8位微控制器平臺(tái)上設(shè)計(jì)了一種提供多個(gè)串行口的低成本嵌入式串行口-以太網(wǎng)橋。下面對其硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)所用串行口-以太網(wǎng)橋的功能，需要進(jìn)行多個(gè)串行口設(shè)備的以太網(wǎng)接人，以及串行通信協(xié)議和以太網(wǎng)通信協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換。所以硬件電路設(shè)計(jì)主要包括多路串行口電路模塊和以太網(wǎng)接口電路模塊設(shè)計(jì)。本文硬件系統(tǒng)方案選用ST公司的工業(yè)級SoC型微控制器μPSD3254和Realtek公司的高性能以太網(wǎng)控制器RTL8019AS兩大核心器件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3所示。

其中μPSD3254是一款由8051內(nèi)核模塊和PSD模塊構(gòu)成的具有SoC特征的增強(qiáng)型高速微控制器。晶振頻率最高可達(dá)40MHz，芯片內(nèi)的PSD模塊為用戶提供了豐富的可配置存儲(chǔ)器資源（256KB主Flash、32KB次Flash及32KB的SRAM）、靈活的DPLD地址譯碼電路以及3000門的CPLD模塊電路，片內(nèi)硬件看門狗大大提高了系統(tǒng)可靠性，芯片自帶JTAG接口支持ISP在系統(tǒng)編程，方便了程序調(diào)試和下載；而RTL8019AS是一款非常成熟的基于ISA總線、NE2000兼容的高性價(jià)比10M以太網(wǎng)控制器，其本身能完成以太網(wǎng)協(xié)議處理，只需和微控制器進(jìn)行簡單連接即可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信；另外硬件電路還包括MAX232電平轉(zhuǎn)換器和20F001N網(wǎng)絡(luò)濾波器等少數(shù)外圍器件。整個(gè)硬件系統(tǒng)僅由4、5個(gè)芯片構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可靠性高，成本低廉。下面從三方面給出硬件電路的具體設(shè)計(jì)。

3.1.1 PSD模塊配置設(shè)計(jì)

微控制器μPSD3254的PSD模塊使得硬件電路的設(shè)計(jì)大為簡化。它本身提供的兩塊大容量Flash以及SRAM（支持后備電池）使用戶無需再進(jìn)行外部程序／數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展。同時(shí)PSD模塊中的DPLD子模塊為Flash和SRAM提供了靈活的地址譯碼，CPLD子模塊可供用戶設(shè)計(jì)一些簡單的組合／時(shí)序邏輯電路。本設(shè)計(jì)根據(jù)具體應(yīng)用需求，對PSD模塊配置如下：

（1） 主Flash扇區(qū)0（fs0）配置在程序存儲(chǔ)器的0000H～FFFFH空間；

（2） 主Flash扇區(qū)1（fsl）配置在程序存儲(chǔ)器的8000H～7FFFH空間；

（3） SRAM（rs0）配置在外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的0000H～7FFFH空間；

（4） CPLD的PA口和PB口被分別設(shè)計(jì)為兩個(gè)多路轉(zhuǎn)換器，以供串行通信時(shí)進(jìn)行信道切換。

3.1.2 串行口擴(kuò)展設(shè)計(jì)

由圖2可知，車速傳感器性能測試平臺(tái)中四個(gè)僅支持串行口的測試設(shè)備（分別負(fù)責(zé)耐溫、轉(zhuǎn)速、傳感器靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性的測試）要同時(shí)接人嵌入式串行口-以太網(wǎng)橋，而微控制器μPSD3254本身只提供兩個(gè)串行口（uart0、uart1），所以必須進(jìn)行串行口擴(kuò)展。一種簡單的擴(kuò)展方法是利用單片機(jī)I／O端口控制多路轉(zhuǎn)換器（如CD4052）進(jìn)行串行口擴(kuò)展（圖3），實(shí)現(xiàn)了一點(diǎn)對多點(diǎn)分時(shí)串行口通信。根據(jù)微控制器μPSD3254的I／O端口資源情況，依此方法系統(tǒng)最多可擴(kuò)展32個(gè)串行口。根據(jù)此思路并結(jié)合測試平臺(tái)的具體應(yīng)用需求，利用μPSD3254的CPLD模塊設(shè)計(jì)了兩個(gè)二選一的多路轉(zhuǎn)換器，從而不僅將兩個(gè)串行口擴(kuò)展為四個(gè)（uart00、uart01和uart10、uart11），而且省去了多路轉(zhuǎn)換器芯片。另外，電平轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)TTL—RS232電平轉(zhuǎn)換，這樣就為四個(gè)測試設(shè)備提供了四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RS-232串行口供其接入串行口-以太網(wǎng)橋。

3.1.3 以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)接口是硬件電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。因?yàn)镽TL8019AS是基于ISA總線PC主板的以太網(wǎng)控制器，所以在和8位微控制器進(jìn)行接口（見圖3）時(shí)其硬件電路與通用方式有很大不同。下面從RTL8019AS以太網(wǎng)控制器自身功能配置、與微控制器μPSD3254之間的總線接口及與網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的接口等三方面給出具體電路設(shè)計(jì)。

（1） RTL8019AS功能管腳設(shè)置

RTL8019AS提供3種工作方式：PnP即插即用方式、免跳線方式和跳線方式。由于8位微控制器μPSD3254無法支持PnP工作方式，而免跳線方式又需外加專用串行E2PROM 93C46以存放相應(yīng)的工作參數(shù)，因此選擇跳線工作方式。在這種方式下RTL8019AS的中斷、I／O端口地址、網(wǎng)絡(luò)接口類型選擇等就完全取決于表1所示功能管腳的狀態(tài)。

JP腳接高電平使芯片工作于跳線方式，IOCS16B腳接低電平選8位數(shù)據(jù)總線，IRQS0～I(xiàn)RQS2接低電平選INT0為中斷請求源，IOS0～I(xiàn)OS3接低電平選芯片I／O端口基地址為300H，AUI、PL0、PL1接低電平分別選。BNC網(wǎng)絡(luò)接口和10Base-T雙絞線傳輸介質(zhì)，SMEMRB／SMEMWB接高電平屏蔽BROM讀寫操作。

（2） RTL8019AS與微控制器的總線接口

RTL8019AS與微控制器的接口連接如圖4所示。

針對以上總線接口還有幾點(diǎn)說明：①由于在8位微處理器系統(tǒng)中，只需操作RTL8019AS的32個(gè)I／O端口地址，所以只需5根地址線進(jìn)行譯碼，其余15根地址線要根據(jù)I／O端口基地址接固定電平。②AEN使能端為低電平有效，而PC7的內(nèi)部邏輯方程為PC7=A15，所以RTL8019AS映射到μPSD3254外部數(shù)據(jù)區(qū)的地址范圍是8000H～FFFFH，這樣μPSD3254通過讀寫外部數(shù)據(jù)區(qū)的此地址范圍就能實(shí)現(xiàn)對RTL8019AS的讀寫。③由于RTL8019AS的處理速度比μPSD3254快很多，其內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖區(qū)也相對較大，為了避免RTL8019AS每收到一幀數(shù)據(jù)就發(fā)出中斷請求，從而頻繁地打斷處理器，所以μPSD3254以查詢而非中斷方式讀寫RTL8019AS以太網(wǎng)控制器。④RTL8019AS在復(fù)位時(shí)要進(jìn)行一系列內(nèi)部寄存器操作，所以用單片機(jī)的P3.7端口控制其復(fù)位，以保證有足夠的復(fù)位時(shí)間。

（3） 網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)接口連接

由于RTL8019AS內(nèi)部已集成以太網(wǎng)收發(fā)器，而且對外提供AUI（支持粗同軸電纜）和BNC（支持細(xì)同軸電纜和雙絞線）兩種網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)接口，所以本方案選擇較常用的BNC接口，這樣就只需再外加一個(gè)網(wǎng)絡(luò)變壓器20F001N和RJ45水晶頭插座即可解決網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)接口問題。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于整個(gè)網(wǎng)橋的底層功能（如以太網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)）已由硬件電路完成（見圖4），所以在軟件上只需完成RTL8019AS驅(qū)動(dòng)、精簡TCP／IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)、用戶自定義應(yīng)用層處理以及串行口通信等功能。為了便于軟件功能的實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)充，軟件系統(tǒng)采用模塊化方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2.1 RTL8019AS驅(qū)動(dòng)模塊

此模塊設(shè)計(jì)依賴于RTL8019AS的硬件工作原理，即對RTL8019AS的驅(qū)動(dòng)是通過操作其內(nèi)部寄存器組來完成的。通常，在進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)前需先向各寄存器寫入相應(yīng)的控制字，當(dāng)發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀時(shí)，微控制器μPSD3254通過RTL8019AS的I／O端口將打包好的數(shù)據(jù)以遠(yuǎn)程DMA方式寫入到RTL8019AS的內(nèi)部數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)，然后啟動(dòng)發(fā)送；接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀時(shí)，RTL8019AS會(huì)自動(dòng)接收數(shù)據(jù)并將其存人自己的內(nèi)部數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)，然后以寄存器標(biāo)志或中斷請求方式通知μPSD3254，μPSD3254再通過RTL8019AS的I／O端口將數(shù)據(jù)以遠(yuǎn)程DMA方式讀到自己的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)并進(jìn)行下一步的拆包處理?；谝陨戏治觯琑TL8019AS驅(qū)動(dòng)程序分三部分設(shè)計(jì)，即芯片初始化（設(shè)置MAC地址、收發(fā)緩沖區(qū)大小、中斷等）、發(fā)送數(shù)據(jù)子程序和接收數(shù)據(jù)子程序。詳細(xì)的驅(qū)動(dòng)程序見文獻(xiàn)［3］。

3.2.2 精簡TCP／IP協(xié)議棧模塊設(shè)計(jì)

此模塊負(fù)責(zé)TCP／IP協(xié)議的處理。由于以太網(wǎng)協(xié)議只規(guī)定了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，所以要想實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信還必須實(shí)現(xiàn)上層的TCP／IP協(xié)議。但此協(xié)議非常復(fù)雜，而且很多功能都是針對PC平臺(tái)的應(yīng)用，在嵌入式系統(tǒng)中根本用不上；另外，8位微控制器的處理能力和內(nèi)存空間也使得在其上實(shí)現(xiàn)完整的TCP／IP協(xié)議根本不可能。因此，在8位機(jī)上用軟件實(shí)現(xiàn)TCP／IP協(xié)議時(shí)首先必須根據(jù)應(yīng)用需求對整個(gè)協(xié)議棧進(jìn)行裁剪。在本應(yīng)用中，由于只需要在串行口和以太網(wǎng)間進(jìn)行簡單的測試數(shù)據(jù)和測試命令傳輸，所以在應(yīng)用層采用了自定義協(xié)議，在傳輸層選擇了能保證可靠性的TCP協(xié)議并進(jìn)行了有針對性的TCP協(xié)議機(jī)制裁剪，而在網(wǎng)絡(luò)層只實(shí)現(xiàn)了不提供分片和路由功能的IP協(xié)議、測試網(wǎng)絡(luò)連通性所需的ICMP協(xié)議（僅支持Ping應(yīng)答）以及提供IP地址到以太網(wǎng)地址（MAC地址）映射的ARP協(xié)議。這樣，就得到了一個(gè)能在低檔8位機(jī)上實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行的精簡TCP／IP協(xié)議棧。此協(xié)議棧從物理層到應(yīng)用層的完整結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.2.3 應(yīng)用程序模塊設(shè)計(jì)

應(yīng)用程序模塊直接面向用戶需求提供相應(yīng)服務(wù)。本設(shè)計(jì)中，根據(jù)整個(gè)軟件模塊的功能劃分，應(yīng)用程序需要完成串行口通信處理及串行幀和IP分組的格式轉(zhuǎn)換。由于嵌入式串行口-以太網(wǎng)橋的TCP／IP協(xié)議棧傳輸層選擇了保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性的TCP協(xié)議（向應(yīng)用層提供流式套接字接口），所以應(yīng)用程序無需再進(jìn)行超時(shí)重發(fā)和回傳確認(rèn)處理，僅需要完成串行口的數(shù)據(jù)收發(fā)操作以及串行數(shù)據(jù)幀和IP分組的格式轉(zhuǎn)換。進(jìn)行串行數(shù)據(jù)幀和IP分組的格式轉(zhuǎn)換時(shí)使用了共享數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和指針技術(shù)以避免協(xié)議分層間的數(shù)據(jù)拷貝，不僅節(jié)省了內(nèi)存空間，而且大大提高了打包和拆包的處理速度；另外，由于串行口設(shè)備每次需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很小，所以四個(gè)串行口緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)采用集中打包、一次發(fā)送的方法減少了網(wǎng)絡(luò)訪問次數(shù)，既提高了通信效率又避免了因頻繁短幀傳輸造成的網(wǎng)絡(luò)擁堵；最后應(yīng)用程序模塊還提供了嵌入式串行口-以太網(wǎng)橋的串行門屬性配置功能，用戶可根據(jù)各測試設(shè)備串行口的具體屬性，在管控計(jì)算機(jī)上通過以太網(wǎng)對網(wǎng)橋的各串行口收發(fā)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)以及波特率進(jìn)行遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)設(shè)置，從而極大地提高了網(wǎng)橋的適應(yīng)性。

實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的嵌入式串行口-以太網(wǎng)橋應(yīng)用于車速傳感器性能測試平臺(tái)，不但能完全滿足測試平臺(tái)的通信要求，還具有成本低、體積小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)在此網(wǎng)橋的硬件平臺(tái)上，只要針對具體應(yīng)用需求對應(yīng)用程序模塊稍作修改就可應(yīng)用于其他汽車傳感器性能測試平臺(tái)（如輪速傳感器性能測試平臺(tái)）以及溫室、環(huán)保、氣象等需要遠(yuǎn)程監(jiān)測的場合。因而該串行口-以太網(wǎng)橋具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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