基于IP2022的嵌入式设备与以太网互连系统的设计

1 引言

　　随着Internet技术的日益普及，信息共享的程度不断提高。据网络专家预测，将来在互联网上传输的信息中，70%左右是来自小型嵌入式设备，互联网应用正在转到以嵌入式设备为中心。由于在工业测控系统、智能仪器、智能家电等领域应用的许多嵌入式设备，它们的对外通讯接口仍然是易用性强、可靠性高的串口，因此如何将工业中已经大量应用的带有串口的嵌入式设备接入网络，就成了一项重要而迫切的课题。

　　本文就是在这种应用现状背景下，以IP2022网络处理器为核心，设计实现了带有RS-485串口的嵌入式设备与以太网的互联系统。系统实现了通用异步收发机（UART）、以太网驱动器外设和TCP/IP网络协议栈功能，为嵌入式设备接入以太网提供了一个软硬件平台。

　　2 系统的硬件设计
 

　　2.1 IP2022简介

　　IP2022是美国Ubicom公司推出的一颗功能强大的网络通信处理器，在4.8MHz晶振驱动下，利用其内部的锁相环（PLL）电路，CPU工作频率可达到120MHz，并且大多数指令均为单周期执行，其吞吐量能满足各种新型网络连通应用的要求。IP2022的内部结构如图1所示。

　　IP2022内含全双工串化器/解串器（Ser/Des），能直接与各种常用网络接口连接，可实现片内10Base-T以太网（MAC和PHY）、 UART以及其它各种快速串行协议。IP2022以软件模块（ip Modules）形式实现外设通信和控制功能，比传统硬件具有更大的系统设计灵活性。IP2022还提供有TCP/IP网络协议栈，并具有一系列完整的端到端连通方案所必须的附加软件。IP2022由于其内含两个Ser/Des部件，能方便的从一种格式转换为另一种格式，所以也能做协议转换器。

　　2.2 系统硬件总体结构

　　系统的硬件主要由IP2022网络处理器、RS-485接口电路、以太网接口电路和电源电路等组成。IP2022网络处理器是整个系统的核心，主要完成数据的转换和系统的控制。以太网接口电路实现与10Base-T Ethernet的连接。RS-485接口电路实现与带有RS-485接口的嵌入式设备的连接。电源电路提供了系统所需的+5V、+3.3V、+2.5V 电源。系统的硬件结构如图2所示。

　　2.3 系统的RS-485接口电路

　　RS-485标准由于具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离及多站传输能力等优点，已经成为分布式系统中数据传输的首选标准。但在实际使用过程中如果使用不当，数据传输就会出现误码。

　　为了抑制误码，在本设计中，我们用了两片具有瞬变电压抑制功能的SN75LBC184，把输入和输出的线路分开，使输入和输出的信号互不干扰。SN75LBC184带有内置高能量瞬态噪声保护装置，提高了抵抗数据同步传输电缆上的瞬变噪声的可靠性。该芯片以差分方式传输信息，抗共模干扰能力强，容许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备，其最大容许通信距离达到1200米。图3给出了系统的RS-485接口电路的原理示意图。通过反复试验，在输入端加装3.3K偏置电阻，串联1K串联电阻，使输入信号波形最好；在输出端，加装18K偏置电阻。

　　SN75LBC184工作电压为+5V，而IP2022的I/O端工作电压为+3.3V。这样一来，接收外部信号时，就可能因为电压过高而对 IP2022的I/O端口造成损坏。所以设计时就在SN75LBC184和IP2022之间加了一个电压转换芯片74LVX4245。该芯片一端信号使用+5V，另一端信号使用+3.3V，通过使能端来控制信号的流向，这就有效的维护了IP2022的工作稳定性和安全性。

　　2.4 系统的以太网接口电路[5]

　　IP2022芯片内含全双工串化/解串器（SER/DES），能够实现片内10Base-T以太网（MAC和PHY）。在设计外部接口电路时，不需要使用专用的以太网接口芯片，只需直接将IP2022的输入输出信号线与网络变压器连接。图4给出了系统的以太网接口电路的原理示意图。

　　IP2022使用了6根I/O引脚，这6根I/O引脚与串化器/解串器1相连。其中用于发送的四根引脚各联接一个电阻，这四个电阻联合给出了100Ω的阻抗。TX+/TX-为差分发送线对，RX+/RX-为差分接收线对，使用差分平衡传输，传输速度可达到10Mbps。

　　FB2022是一个内部带有低通滤波器的网络变压器，负责将IP2022输出差分电压放大之后传给RJ45，将输入的差分电压变压缩小之后传给IP2022，保护IP2022芯片不受损坏。

　　在RX+和RX-之间跨接100Ω的耦合电阻，提高通信线路的稳定性。RJ45为标准的双绞线以太网接口插座。

3系统的软件设计

　　IP2022提供有完善的软件开发工具，主要包括Ubicom集成IDE和Ubicom配置工具。Ubicom集成IDE提供了直观的用户界面，包括编辑器、项目管理器、器件编程和调试的工具，可以方便用户进行软件工程的项目管理与最终的实现。Ubicom配置工具可以方便的添加软件包，设置软件包所用的IP2022硬件资源，确定各软件包之间的关系，自动链接到目标代码。

　　系统主要是用来完成RS-485串口和以太网之间的数据转换和传输，在硬件上拥有了RS-485接口和以太网RJ45接口之后，软件上还必须利用IP2022的配置工具加载ipOS、ipStack、ipEthernet和ipUART四个软件模块。

　　ipOS操作系统模块是Ubicom设计的可配置的嵌入式实时操作系统，它是专为网络应用而优化的。ipStack协议栈模块是符合工业标准的TCP/IP网络连接协议栈，它提供直接Internet寻址功能，设计者不需要使用外部物理接口芯片或PC网关就能设计嵌入式网络设备。ipUART串口模块提供了异步串口通信功能，系统加载ipUART软件模块后，芯片具备了异步收发（UART）能力，能够支持串口通信。ipEthernet 以太网模块完全实现了10Base-T以太网物理层接口（包括MAC和PHY功能），只需使用一个IP2022和少量的外部电路就能实现嵌入式设备接入以太网。图5为系统主程序的流程图。

　　 因为我们配置的IP2022芯片的操作系统是以单任务方式运行的，每一个物理接口和一些操作系统功能都需要被轮询，因此，轮询必须尽可能的返回以防阻碍了其它系统程序的执行。IP2022的运行速度很快，在RAM中可以达到120MIPS，在Flash中可以达到30MIPS，所以轮询速度是可以满足实际要求的。

　　 初始化主要是初始化操作系统和初始化协议栈。在操作系统主要是初始化主要的寄存器、系统调试支持代码、系统定时器；在协议栈主要是初始化IP2022的netbuf/netpage存储机制、TCP协议。                          

　　利用IP2022的配置工具增加ipEthernet以太网软件模块，设置以太网接口所用的IP2022硬件端口资源，调用软件包ipEthernet中的函数ip2k_eth_instance_alloc( )创建虚拟外设以太网驱动器。

　　 调用软件包ipStack中的函数eth_ip_arp_instance_alloc( )创建以太网链路层到IP层的实例，调用函数dhcp_client_instance_alloc( )创建DHCP实例。

　　利用IP2022配置工具增加ipUART软件模块，设置所用的IP2022硬件资源、串口波特率等参数，调用软件包ipUART中的函数 uart_vp_instance_alloc( )创建一个虚拟外设UART，调用函数uart_listen( )对串口进行侦听。

　　从图5中可以看出进入主循环后，首先对以太网口进行轮询，然后再对串口轮询，这样保证从以太网口来的指令能够优先及时地得到处理。如果轮询到端口有数据发送或接收，就对数据进行协议的转换和传输，其具体的流程如图6所示。

　　4 结束语

　　本互联系统实现了带有RS-485串口的嵌入式设备与以太网的连接，进而可以通过以太网接入Internet，从而实现从Internet上监控嵌入式设备，可广泛应用在工业控制、智能仪器、信息家电等领域，具有较高的实用价值。