基于ARM-LPC2368的网络接口的设计与实现

        本文以微处理器LPC2368为核心、DP83848C为以太网物理层接口芯片，详细地介绍了嵌入式以太网接口的实现方法。　

       首先对微处理器LPC2368和物理层芯片DP83848C作了简单的介绍，然后给出了基于LPC2368的以太网接口的硬件设计，最后简述了其软件的实现过程。

        １　引言

        随着Internet技术的迅速发展，人们对信息共享的要求也不断提高。目前，嵌入式系统已经渗透到我们生活的每个角落，它与网络的完美结合，为我们共享信息提供了很大的便利。PHILIPS公司的LPC2368是一款优秀的微处理器，基于它的嵌入式系统如果没有以太网接口，那么其应用价值也就会大打折扣。因此，就整个系统而言，以太网接口电路应是必不可少的，但同时也是相对较复杂的。

        以太网接口电路主要由MAC控制器和物理层接口（Physical Layer，PHY）两大部分构成。LPC2368内嵌一个以太网控制器，支持精简的媒体独立接口（Reduced Media Independent Interface，RMII）和带缓冲DMA接口（Buffered DMA Interface，BDI），可在半双工和全双工模式下提供10M/100Mbps的以太网接入。因此，LPC2368内部实际上己经包含了以太网MAC控制，但并未提供物理层接口，所以，需要外接一片物理层芯片以提供以太网的接入通道。在这里选用National Semiconductor公司的DP83848C作为以太网物理层接口芯片，它提供了包括MII/RMII/SNI接口，可以很方便地与LPC2368连接。 

        ２ LPC2368 和 DP83848C 的介绍

         2.1 微处理器LPC2368

        LPC2368是基于ARM7TDMI-S内核的32位微控制器，可在高达72MHz的频率下操作，其功能强大且成本效率高，支持 10/100Ethernet、全速（12Mbps）USB 2.0 和 CAN 2.0B；具有高达512KB的片内Flash、58KB的SRAM、10 位 A/D 和 D/A 转换器和一个 IRC 振荡器，还带有 SD 存储卡接口可供选择，100引脚LQFP封装(14×14×1.4mm)。广泛应用于工业控制、POS系统、协议转换、加密系统等领域[1]。

        2.2 物理层芯片DP83848C

       DP83848C是一个10/100Mb/s单端低功耗物理层器件，有几种智能降功耗模式，包括有25MHz时钟输出,很容易通过外接变压器和双绞线媒体接口；支持两种IEEE 802.3u MII和RMII Rev 1.2，方便了设计；集成的亚层支持10BASE-T和100BASE-TX以太网协议；低功耗小于270mW、3.3V MAC接口；可配置的SNI接口；48引脚LQFP封装(7x7mm)。DP83848C作为一种以太网物理层收发器，广泛应用于高端外围设备、工业控制和工厂自动化操作、通用的嵌入式应用领域[2]。 

        ３ 硬件部分设计

         3.1　电路框图

        LPC2368与DP83848C连接比较简单，直接通过RMII接口连接即可。连接好后，DP83848C再通过网络隔离变压器和RJ45接口接入传输媒体，其电路框图如图1所示。

       3.2　以太网接口实际电路原理图设计

       DP83848C支持几种MAC接口方式：（1）MII；（2）RMII (Reduced MII)；(3)10 Mb 串行网络接口（Serial Network Interface，SNI）。在这里我们使用的是RMII接口方式，通过设置引脚pin39和pin6来确定，如表１所示。

      表 １ ： MII 方式选择

      MII_MODE (pin39)

      SNI_MODE (pin6)

      MAC Interface Mode

      0

      0或1

      MII　Mode

      1

      0

      RMII Mode

      1

      1

      10 Mb SNI Mode

       由表１可以看出，pin39应接上高电平，pin6应接上低电平。同时因为在芯片内部pin6下拉，默认为0，所以只要设置pin39接上高电平即可，这样微处理器LPC2368就可以同PHY芯片DP83848C通过RMII接口方式连接。它们之间通过RMII接口连接，芯片和控制器连接所使用的引脚数目会比较少，且数据传送速率是每次2位，即频率50MHz，所以需要一个50MHz的晶体振荡器连接到pin34 X1脚。

         在RMII方式下，主要使用到的引脚有：1串行管理：MDC（pin31）、MDIO（pin30）；　2MAC数据：TX_EN（pin2）、TXD[1:0]（pin4 pin3）、RX_ER（pin41）、CRS_DV（pin40）、RXD[1:0]（pin44 pin43）；　3时钟：X1(pin34 ,RMII 参考时钟是50MHz)、X2(pin33)。

          Pin27置高使得DP83848C以100Mbps的速率工作, LED显示DP83848C的工作状态。16ST8515为网络隔离变压器，其主要是起信号传输、阻抗匹配、波形修复、杂波抑制以及高电压隔离等作用，以保护系统的安全。通过protel 99 SE画出电路原理图如图２所示。

       软件的实现主要有三个部分：系统的初始化、数据的发送和接收。

       初始化部分完成以太网接口在使用之前的初始化工作，主要包括设置相关的寄存器、分配和初始化发送与接收缓冲区等。

       在网络接口层对应的数据包是完整的以太网帧格式的，因此要实现数据的发送和接收就必须按以太网IEEE802.3协议来进行，该协议所定义的帧结构如表2所示。

       每个网卡在出厂的时候有个全球固定的物理地址（MAC地址）。当总线上的一个节点发送一个数据帧，总线上其他的网络节点都拷贝该数据帧，每个节点检查数据帧的目的物理地址，如果和自己的物理地址匹配的话，该节点的网卡就接受该数据帧传给上层协议处理，反之如果不匹配，该节点就丢弃数据帧。

        采用中断的方式发送和接收数据。

        发送数据帧：将要发送的数据封装成以太帧，并写入发送缓冲区；检测网络中有无数据在传送，即上一个帧是否发送完毕，如果网络中仍有数据在传送，则暂时不能发送帧，若网络中没有数据，则可以立即发送此帧；在发送该帧时，可同时封装下一个数据帧，并将其写入第二个发送缓冲区；当中断服务程序检测到第一个数据帧发送完毕时，则可发送下一个数据帧。重复以上过程，直到所有数据帧都发送完毕。发送数据帧的流程图如图3所示。

       接收数据帧：等待直到有数据帧到达，将此数据帧保存到FIFO缓存中，然后察看该数据帧的目的地址，若为NIC的MAC地址或广播地址，并且经检验没有出错，则把此数据传送到接收缓冲中，并向处理器提出中断，将接收到的数据帧从 NIC本地缓存连续读人到系统内存中。接收数据帧的流程图如图４所示。

        图３　发送数据帧流程图

图4　接收数据帧流程图

        本文讲到了利用微处理器LPC2368和PHY芯片DP83848C来设计以太网接口。由于微控制器LPC2368和物理层芯片DP83848C的优良性能，使得该接口电路具有结构简单、体积小、功耗低等许多优点，是实现嵌入式系统与网络连接的微处理器LPC2368，通过精简的媒体独立接口与物理层芯片进行连接，在保证同样功能的情况下，使得布线更加简单，可以大大减小设计时的出错率。