以太网接口转换器（共7篇）
以太网接口转换器 篇1
0 引 言
随着互联网应用的日益普及, 信息共享程度的不断提高, 以单片机为中心的数据采集、检测控制等系统接入网络共享信息已成为一种趋势, 传统的互联网的应用正从以PC机为中心的时代逐渐转到以单片机系统为中心的时代[1]。
但是, 目前在工业控制领域, 单片机系统主要通过RS-232、RS-485和CAN总线协议通信, 它们无法直接于互联网连接, 因此, 系统处于与互联网隔绝的状态。这些系统广泛采用低成本的8位单片机, 而这种单片机一般只具有RS-232异步串行通信接口, 要想接入互联网必须进行通信接口改造, 这种改造不仅是接口的物理改造, 关键是数据格式的改造和通信协议的转换。因此, 本文提出一种RS-232串行通信接口与RJ45以太网接口转换器的设计方案, 已有的单片机系统可以通过该转换器接入以太网, 进一步接入互联网, 这种方案对研发嵌入式网络系统也有借鉴作用。
1 转换器的总体结构和工作过程
RS-232串口与RJ45网络接口转换器由控制单元、网络接口单元、电源单元组成, 总体结构见图1。
其中, 控制单元负责数据的收发和数据格式的转换, 其核心是单片机;网络接口单元完成数据以太网帧格式的封装和拆封以及信号的变换;电源单元为控制单元和网络接口单元提供电源。
单片机系统具有标准的RS-232串行异步通信接口, 若要通过转换器接入互联网, 一般首先接入局域网, 局域网基本采用以太网, 再通过以太网接入互联网。因此, 本文提出的转换器的网络接口采用以太网的RJ45接口。如图2所示。
若数据从单片系统发送到互联网, 则单片机系统发送的异步串行数据帧经过转换器后, 把数据帧转换成以太网数据帧, 然后上传到互联网;反之亦然。
2 硬件设计
2.1 控制单元
该单元由单片机、存储器和锁存器等电路组成, 如图3所示。
单片机采用台湾Winbond公司的8位MCU (微控制器) W78E51, 该芯片内部有32 kB的大容量程序存
储器, 同时提供ISP在线编程功能, 方便程序调试以及软件升级[2]。由于W78E51单片机片内 RAM 十分有限, 为了完成数据包的接收和处理, 在使用过程中为 W78E51 扩展一片62256外部数据存储器, 临时存储以太网发来的数据帧和RS-232发来的数据, 其片选信号/CE连接78E51的P2.7口, /OE和/WE分别连接78E51的/RD和/WR, 存储器62256占用单片机的外部数据地址空间0000H~7FFFH, 共32 kB;电平转换芯片MAX232外接少量元件就可实现TTL电平与RS-232电平的转换。
2.2 网络接口单元
网络控制单元由以太网控制器、存储器和耦合隔离变压器等组成, 如图4所示。
网络控制器采用RTL8019AS, 它是REALTEK公司生产的高集成度专用以太网接口芯片, 支持 PNP 自动探测, 内嵌16 kB的SRAM, 具有全双工的通信接口。RTL8019AS是针对ISA总线而设计的, 用于实现网络的物理层协议, 主要包括网络控制器与网络电缆的物理连接、MAC (介质访问控制) 、数据帧的拆装、帧的发送与接收、错误校验、数据信号的编/解码和数据的串/并转换;RTL8019AS的数据包发送/接收过程通过2个DMA操作来完成。本地DMA完成RTL8019AS与片内FIFO队列之间的数据传送, 作用是完成控制器和网络线的数据交换;远程DMA完成RTL8019AS与外部处理器之间的数据传送[3]。
由于RTL8019AS工作于跳线模式, 且IOS0、IOS3接高电平, IOS1、IOS2接低电平, 决定了RTL8019AS的I/O基地址为240H, 单片机W78E51是靠地址总线和读写总线对RTL8019AS进行操作的, 因此把 RTL8019AS地址总线的SA0~SA4和SA6分别与单片机地址总线ADDR8~ADDR12 和ADDR15相连, SA9接高电平, SA5、SA7、SA8和SA10~SA19全部接地, RTL8019AS的I/O基地址240H映射到单片机地址的8000H, 这样W78E51对片外数据存储器8000H的访问就可实现对RTL8019AS基址的操作。RTL8019AS 的数据发送、接收引脚TPOUT-、TPOUT-、TPIN-和 TPIN+通过隔离滤波变压器20F-01与以太网RJ45接口相连, 耦合隔离变压器主要具有信号传输、阻抗匹配、波形修复、杂波抑制以及高电压隔离等作用。
利用W78E51控制RTL8019AS的各项操作, 网络数据流通过RJ45接口进入 RTL8019AS的缓冲区, 然后经过RTL8019AS处理后被W78E51读入到62256 暂存, 暂存的数据通过RS-232串口传送到单片机系统或其他设备;在向以太网发送数据时, 单片机系统或其他设备经RS-232串口发送数据包至W78E51 在62256中开辟的数据缓冲区, 然后通过远程DMA 操作将组帧后的数据写入RTL8019AS的片SRAM, 再经RJ45接口发送至以太网。
2.3 电源单元
为简化转换器的结构和成本, 电源外置, 采用两种方式供电, 一种是采用USB电源供电, 另一种是采用+5 V通用电源器供电。转换器设计了两种电源接口。
3 程序流程
程序流程如图5所示。
转换器上电复位后, 主程序进入检测以太网数据包的状态, 分析接收到的数据包类型做出相应的处理;若单片机系统有数据发送给转换器, 则转换器进入串行口中断服务程序, 处理接收的串行数据包。
4 结束语
该转换器成功应用于某煤矿风机监测系统的改造项目上。改造前, 只有与风机检测单片机系统连接的计算机能观测该风机的运行状态[4], 改造后, 只要接入矿区局域网的计算机都可以观测到风机的运行状态。
虽然该转换器基本上实现了单片机系统与以太网的通信, 但是转换器的功能比较简单, 若能把http协议嵌入到转换器, 通过Web的方式通信会更好。
摘要：随着网络的发展, 以单片机为中心的数据采集、检测控制等系统接入网络共享信息已成为一种趋势, 但由于单片机系统的RS-232串口与RJ45网络接口不兼容, 使得单片机系统接入网络存在困难。文中提出了一种单片机RS-232串口与RJ45以太网接口转换器的设计方案, 转换器总体结构由控制单元、网络接口单元、电源单元组成。还设计了每个单元的硬件电路, 并给出了程序流程以及转换器的工作过程。该转换器成功应用于风机监测系统的改造项目。
关键词：RS-232串行口,RJ45以太网接口,转换器
参考文献
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[3]RTL8019AS手册[EB/OL].http://www.efw520.com/down/dc0014-8019as-cn.pdf.
[4]刘小明.矿井通风机监测系统[J].矿山机械, 2006 (12) .
以太网接口转换器 篇2
1系统设计
1.1设计概述
图1是接口转换模块的通用应用场所, 符合G.703协议的硬件设备。G.703设备通过转换模块与以太网交换机输出的以太网数据进行数据转换, 极大地方便了用户在不同网络之间的数据传输。针对市场中现有的转换模块基于微处理器实现转换功能, 具有稳定性高、功能丰富的优点。与此同时, 也带来了相当多的弊端, 如产品开发周期长, 成本难以控制, 产品升级维护难度增大, 降低产品的市场竞争力。为克服上述技术问题, 本文选择可编程逻辑器件实现, 利用可编程逻辑器件的硬件并行优势性能、较短的开发周期、低廉的开发成本、较强的稳定性以及升级维护的便利性等优点[4], 大幅度提升该转换模块的市场竞争力。
1.2硬件设计
该转换模块主要采用以太网芯片、可编程逻辑器件和G.703接口芯片为主的硬件架构, 实现多路G.703数据和以太网数据的转换处理。该转换模块的硬件结构如图2所示, 包括核心处理单元、以太网业务单元、G.703业务数据单元、电源单元、时钟单元和复位单元。
选取可编程逻辑器件FPGA作为核心控制单元。其中, Altera和Xilinx是提供可编程逻辑器件的器件公司, 可提供多个层级的芯片进行选择, 由于Altera公司的Quartus II开发界面友好[4], 选择Altera的Cyclone III喜乐的EP3C55芯片作为FPGA数据处理芯片。该芯片具备55 856个逻辑单元、2 396个RAM以及156个嵌入式18×18乘法器。选取美信半导体公司的低功耗的G.703芯片DS21348, 支持实现T1、J1线路接口。该芯片具有多种工作模式, 可充分满足多种设计需求[5]。选择博通公司的以太网业务芯片BCM5228, 实现以太网业务的处理。作为数字电路必不可少的电源模块和时钟模块, 性能稳定、技术成熟是选择芯片的主要参考, 基于以上原因选取LT1640芯片作为电源芯片及ICS83081的时钟芯片。采用全球最大的电子设计技术、程序方法和服务供应商提供的EDA软件——Cadence进行硬件电路设计, Cadence17.0是cadence公司推出的能够跨IC、封装及印制板系统设计高性能互联。由于该转换单元中的FPGA及以太网业务芯片属于BGA封装, 考虑到产品的信号完整性, 设计多层印制板进而实现更好的信号处理效果, 而Cadence17.0可以满足具备多层印制板的工具需求, 是设计该转换器印制板的首选EDA[6]。
1.3逻辑设计
QuartusⅡ提供了完全集成且与电路结构无关的开发包环境, 具有数字逻辑设计的全部特性, 包括可利用原理图、结构框图、Verilog HDL、AHDL和VHDL完成电路描述, 并将其保存为设计实体文件;芯片 (电路) 平面布局连线编辑;Logic Lock增量设计方法, 用户可建立并优化系统, 然后添加对原始系统的性能影响较小或无影响的后续模块;功能强大的逻辑综合工具。Verilog的设计初衷是成为一种基本语法与C语言相近的硬件描述语言[7]。本文的逻辑处理部分选择让电路设计人员更容易学习和接受的Verilog作为开发语言。基本逻辑处理流程如图3所示, 为了更为高效地实现数据转换, 选择自定义的G.703数据包格式包括包前导码、起始码、目的地址、数据源地址、数据长度及帧校验位。
G.703转换以太网数据包的逻辑处理过程为:接收G.703接口数据, 判断数据包是否同步, 如果该数据同步则对其安装标准以太网数据格式进行打包, 其中包括添加数据包头、包类型及计算循环冗余码等处理。其中, 数据包同步的处理过程如下:首先定义表示数据同步的标识码以及对端失步标识, 对数据包头进行搜索, 判断该包头是否具有同步标识码, 如果具备该标识, 则说明收发双向均为同步, 则进行包头锁定, 添加同步时间间隙, 稳定同步状态。部分Verilog代码如下:
以太网转换G.703数据包的逻辑处理过程为:接收以太网数据, 对该数据进行线路标识去除处理, 进行串行数据转换至并行数据, 验证处理后的以太网数据的目的地址及循环校验是否正确, 将正确数据进行同步处理发送至G.703数据接收端, 将错误数据进行丢弃, 对代码编译仿真后进行单板调试。调试结果发现该转换单元转换效果明显优于现有产品。
2结语
该G.703接口与以太网数据转换模块, 通过Cadenc公司的高效EDA开发工具进行多层印制板的设计, 在保证信号完整性的前提下, 最大程度地缩减了产品尺寸, 根据Altera公司的可编程逻辑开发软件实现了数据业务的高效相互转换, 缩短了开发周期, 同时大大提升了系统升级维护的便利性。与此同时, 随着可编程逻辑器件的进一步发展以及印制板生产工艺的提升, 该转换器还有进一步提升的开发空间。
参考文献
[1]王廷尧.以太网技术与应用[M].北京:人民邮电出版社, 2005:1-25.
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[6]Howard W.Johnson, Martin Graham.High-Speed Digital Design:A Handbook Of Black[J].Prentice-Hall Inc., 1993 (5) :42-50.
基于嵌入式以太网接口设计分析 篇3
随着计算机网络技术的快速发展, 以太网已经成为当今一种技术成熟的信息传输网络, 这种网络已经广泛应用到因特网、工业控制网络、办公网络等各种日常网络通信中, 成为当前的主流计算机通信网络。因此, 各种工业传输设备都在试图通过以太网的网络接口连接进入以太网络, 共享以太网的资源和技术服务。
从技术角度讲, 要想实现这种工业传输设备在信息接入层接入以太网的网络接口通常采用两种方式:方式一是采用单片嵌入式微控制器 (MCU) +单片专用以太网控制器芯片方式实现以太网接口, 如图1所示;方式二是采用单片带有以太网接口的嵌入式微控制器 (MCU) 方式实现以太网接口, 如图2所示。方式一主要是利用各种常用的嵌入式微控制器配以专用以太网控制器芯片实现以太网的网络接口, 其主要特点是技术成熟, 配置灵活多样, 便于充分发挥每个芯片各自的优势, 设计起来得心应手;方式二是在单片MCU芯片上增加了以太网接口, 其主要优势是减少了体积, 减小了功耗。
通常不论是哪种接口方式, 要完成数据接入以太网都必须按照IEEE802.3标准的要求完成MAC (Media Access Control) 层和PHY (Physical Layer) 层的信息处理。MAC层主要完成数据封装、数据收/发控制等功能;PHY层主要完成数据进出以太网前后的数据编码/解码。
2 接口方案
在选择以太网接口设计方案过程中, 除了考虑接口系统的组成结构之外, 还要结合产品的技术要求了解设计方案更多的附加信息, 例如嵌入式系统功能分配、设计方案实现的难易程度、产品综合成本、产品研发周期以及所使用的芯片的市场供货条件等因素, 下面本文就对上述两种以太网接口设计方式做进一步分析, 介绍两种接口方式的主要特点和性能, 为以太网接口设计方案的选择提供必要的参考。
2.1 单片嵌入式微控制器 (MCU) +单片专用以太网控制器芯片方式
在这种以太网接口设计中, 单片MCU可以选择各种常用的单片机芯片, 例如MCS-51系列单片机、PIC单片机以及各类ARM控制器等;而专用以太网控制器也有多种型号选择, 如RTL8019、ENC28J60、CP2201等。
在选用MCS-51系列单片机作为MCU设计时[1], 由于51单片机片内存储器空间不足, 无法满足以太网接口大量数据的快速缓冲存储需要, 必须加入外部数据存储器扩展芯片作为数据传输处理缓存。
为了存储一些本地端口和远程端口的网络参数 (如:IP地址、子网掩码、网关) 等信息, 由于这些网络信息都是相对长期不变的, 且需要在掉电情况下仍能得到保留, 因此需要加入一个E2PROM芯片完成相关信息的存储。
为了实现以太网接口, 必须得到TCP/IP协议的支持。但一个完整的TCP/IP协议栈非常复杂, 需要占用系统的很多资源, 特别是在51单片机系统中由于没有操作系统的支持, 完整的TCP/IP协议栈很难实现。为此可以选用u IP协议栈, 该协议栈是TCP/IP协议栈的简化版, 具有较小的代码量, 代码用C语言编写, 对外开放, 便于移植修改, 无需操作系统支持等特点, 非常适合于在51单片机系统上使用, 该协议栈可以实现TCP/IP协议中最基本的5个网络协议功能, 包括:ARP、IP、ICMP、UDP、TCP协议;该协议栈提供一些接口函数完成底层的硬件驱动, 并为上层的网络应用提供功能支持, 可以实现web服务器、web客户端、电子邮件发送程序SMTP客户端、Telnet服务器、DNS主机名解析程序等基本以太网功能。由于需要把u IP协议栈中常用的基本协议算法 (如ARP、IP、ICMP、UDP、TCP等) 保存在一个EPROM芯片中, 因此, 在系统中还需要加入一个EPROM芯片。
在系统中专用以太网控制器芯片可以采用Realtek公司生产的100引脚RTL8019, 该芯片具有8/16位总线模式, 集成了IEEE802.3协议标准的介质访问控制子层 (MAC) 和物理层 (PHY) 的功能, 采用全双工收发, 传输速率可达10 Mb/s;以太网控制器芯片也可以采用Microchip Technology公司生产的26引脚ENC28J60, 该芯片采用标准的SPI串行接口, 只需4条连线即可与MCU实现连接, 接口速率可达10 Mb/s, 具有8K接收/发送双端口数据缓冲RAM, 简化了硬件电路设计, 如果MCU采用PIC18F系列单片机, Microchip公司还可以免费提供配套的TCP/IP软件协议栈, 大大简化了系统的软件设计。
这种MCU+专用以太网接口芯片的系统结构框图如图3所示:
采用这种MCS-51系列单片机作为MCU+单片专用以太网控制器芯片方案设计的特点是由于MCU资源有限, 需要增加一些辅助芯片, 系统硬件结构相对复杂, 所以接口电路板体积相对较大, 功耗偏大;但由于系统中使用了RTL8019以太网控制器芯片完成了MAC层和PHY层的网络功能, 而使系统软件的设计相对简单, 产品研发周期短。
为了减少硬件体积, Microchip公司推出一种28脚的专用以太网控制芯片ENC28J60, 该芯片支持IEEE802.3协议, 能够实现MAC层和PHY层的网络功能, 支持全双工和半双工模式, 与主控MCU采用SPI接口, 其接口速率最高可达10Mb/s, 能够很好地满足嵌入式以太网接口的设计要求。此外, 该芯片还具有8K数据收/发缓冲双端口SRAM, 还可以根据实际需要对收/发缓冲器的大小进行配置, 同时配有用于快速数据传送的内部DMA, 进一步增加了芯片对数据处理的支持和管理, 减少了嵌入式系统中MCU的数据处理负荷。由于该芯片的管脚数仅为28, 且具有片内数据缓冲器, 因此, 可以较好的减少整个嵌入式系统的体积以及功耗。另一方面, Micro Chip公司为使用PIC18单片机作为MCU的嵌入式系统免费提供TCP/IP协议栈, 该协议栈经过适当的修改, 可以方便的移植到实际的嵌入式系统中;该协议栈可以实现HTTP、FTP、UDP、TCP/IP、ICMP、APP等网络协议, 大大方便了系统的软件设计减少了产品研发周期短。
同样, Silicon Laboratories公司也推出了另外一种28脚的专用以太网控制芯片CP2201, 该芯片集成了IEEE 802.3以太网媒体访问控制器 (MAC) 和10Base-T物理层 (PHY) , 内部配有专用的2KB发送缓冲RAM和4KB接收FIFO缓冲RAM, 发送缓冲区可以按照IEEE 802.3要求自动生成以太网数据包;接收缓冲区操作由硬件自动管理, 不需要主MCU的介入处理;内部带有一个8KB非易失性FLASH存储器, 在该FLASH上最后6个存储单元中预编程有唯一48位MAC地址, 可以简化产品批量生产时所需的序列化过程, FLASH其他单元可用于存储用户常数、Web服务器内容等通用非易失性数据;采用自适应方式兼容10/100/1000 BASE-T全双工/半双工网络;与主控MCU之间采用8位并行复用接口, 传输速率较高;有四种电源工作模式, 可以使系统整体功耗最小化。Silicon Laboratories公司也为该芯片免费提供了配套的TCP/IP协议栈及设备驱动程序以及以太网开发套件, 包括使用以该芯片为网络控制器的嵌入式系统所需的全部硬件、软件和示例, 极大地简化了以太网接口设计。
2.2 单片带有以太网接口的MCU方式
在这种以太网接口设计中, 单片MCU芯片内部包含有专用以太网控制器所具有的基本网络功能, 再配以少量的外围器件就可以完成一个基本的以太网接口设计。这种内部带有以太网控制器功能的MCU芯片有CS6208、S 3 C 4 5 1 0 B、S T M 3 2 F 1 0 7、L M 3 S 8 9 6 2、AT 9 1 S A M 7 X 2 5 6、M C A r r a y S 1 2 N E 6 4、DS80C400、MC9S12NE64等。由于在这种设计方案中, MCU不但要完成整个系统的管理控制, 同时还需要实时完成以太网接口的数据收/发处理控制, 因此, 这种MCU具有较高的处理能力。以这种MCU组成的以太网接口系统结构框图如图4所示。
CS6208芯片是Myson Century公司生产的带有以太网控制器的128脚单片MCU芯片, 该芯片的特点是具有与8051指令集兼容, 比8051运行速度快3倍的CPU内核, 其时钟最高频率为60MHz;带有65K的ROM和32K的RAM, 存储器结构与8051兼容;支持IEEE 802.3协议, 具有片内10/100M介质访问控制层 (MAC) 功能和10 Base T的物理层 (PHY) 接口;收发缓冲区与CPU共享片内32K的RAM区;支持ARP, IP, ICMP, UDP, TCP, DHCP, and BOOTP协议以及HTTPD服务。该芯片将TCP/IP协议栈的底层函数标准化, 并把它封装成API函数, 因此只需通过调用API函数即可解决TCP/IP协议栈的数据处理问题, 大大缩短了产品的开发周期。
S3C4510芯片是Samsung公司生产的基于以太网应用系统的高性价比16/32位RISC微控制器, 该芯片内含一个低功耗、高性能的ARM7 TDMI RISC处理器核, 非常适合于对价格及功耗敏感的应用场合。该芯片在以太网设计上带有片内10/100M介质访问控制层 (MAC) 功能和一个MII (Medium Independent Interface) 介质独立接口, 该接口是一个MAC和PHY之间的管理接口, 由于缺少物理层功能 (PHY) , 所以需要额外配置一片具有MII接口的物理层收发器 (如RTL8201) 以实现一个完整的以太网接口功能, 该系统结构图如图5所示。
虽然该系统额外配置了一个以太网芯片, 但由于ARM芯片强大的内部资源配置, 所以无需增加其他的外围芯片就可以完成以太网接口的基本功能, 提高了系统的性价比。
3 结论
通过以上分析可以看出, 在嵌入式以太网接口设计过程中, 各种设计方式都具有自己的特点。如果整个嵌入式系统只完成以太网接口单独功能, 其他附属任务较少, 可采用CS6208单芯片就可以实现以太网接口功能;如果整个嵌入式系统除了完成以太网接口功能之外, 还需要完成很多其他的控制功能, 可选用高性能的ARM控制器 (如S3C4510芯片) 配以相应的附属芯片就可以实现以太网接口功能;如果在原有的嵌入式系统中增加以太网接口功能, 可采用原有嵌入式处理器附加以太网专用芯片 (如RTL8019) 实现以太网接口功能, 这样可以节省费用和研发时间。
参考文献
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[2]王平.工业以太网技术[M].北京:科学出版社, 2007 (07) .
图像信号的以太网接口电路设计 篇4
本接口电路主要包括编码器和解码器两部分, 总体设计框图如图1所示。下面对各模块加以介绍。
为了能够处理不同格式的图像信号, 编码器具有3个不同输入接口, 图像信号输入接口模块的作用就是将各个接口输入的图像信号转变为统一的格式 (ITU-R BT.656) , 送到ADV202的图像信号接口。用一个三选一电路结构选出其中一路送到ADV202。
ADV202是由美国模拟器件 (Analog Devices) 公司推出的一款单片JPEG2000编解码芯片。如图2所示, ADV202包含一个小波变换引擎、三个熵编解码器、片上存储器系统和一个嵌入式RISC处理器, 它能够提供完整的JPEG2000压缩/解压解决方案。ADV202的专用图像信号接口可直接支持ITU-R BT.656等多种图像信号格式。输入的图像信号数据经过像素接口被送往小波引擎。小波引擎支持最高6级的9/7和5/3小波变换, 变换所得的系数写入片内存储器。接着, 熵编解码器组将这些系数按照JPEG2000标准进行编码。内部DMA提供了存储器间的高带宽传输以及各功能模块和存储器间的高性能传输。ADV202内嵌的32位RISC处理器通过固件对芯片的工作进行控制。ADV212作为ADV202的升级版芯片, 可以直接替换电路中的ADV202。
FPGA是电路的控制器, 由它对编码器和解码器的工作进行协调。采用Xilinx公司的Spartan-3系列FPGA。本电路在FPGA内搭建的微处理器系统主要包括:嵌入式微处理器Micro Blaze;两个外部存储器控制器 (EMC) , 分别用来接口ADV202和以太网控制器;一个I2C控制器, 用于EEPROM的读写及部分芯片的初始化;一个UART, 可以连接到PC机串口, 提供系统工作信息并允许对系统的工作进行一些外部控制;一个中断控制器, 响应来自各处的中断使系统正确运作。
系统中的编码器上电之后, 微处理器首先初始化图像信号输入接口模块的芯片组, 以便捕捉到输入图像信号后, 根据要求选出一路送到ADV202的图像信号接口。接着, 微处理器开始进行ADV202的配置, 通过I2C总线把存储在EEPROM里的编码固件读出来载配到ADV202中, 再把JPEG2000编码参数也写入ADV202。ADV202启动工作后, 一旦码流FIFO到达事先设定的门限值, 就向微处理器发出一个中断信号。微处理器读出码流, 打包为以太网帧, 送到以太网接口模块准备发送到网络中。另外, 微处理器还能响应来自UART的中断, 对ADV202的某些配置参数 (比如输出码流速率等) 进行修改。
以太网接口模块的核心是以太网控制器。选用SMSC公司的LAN91C111, 这是一款针对嵌入式应用的快速以太网控制器, 内部集成了SMSC/CD协议的媒体访问控制层 (MAC) 和物理层 (PHY) , 符合IEEE802.3/802.3u-100BaseTX/10Base-T规范。使用LAN91C111的好处在于它包含了MAC层, 不需要再额外购买IP核 (在EDK中, MAC层的IP核是需要单独付费购买的) , 并且节约了FPGA的资源。LAN91C111的工作控制也比较简单, 微处理器只需把以太网帧以一定格式存入发送FIFO, 它就能在网络空闲的时候, 通过网络变压器和RJ45接头把这一帧送到以太网上进行传输。
由图1可以看到, 解码器的结构与编码器几乎完全一致, 只是把图像信号输入接口模块替换为输出接口模块。输出接口模块的作用是把ADV202解码输出的BT.656格式图像信号经转换后由DVI接口送至显示器播放。在实际的硬件实现时, 把这一块集成到编码器上, 从而编解码器在一块电路板上实现, 切换功能时只需对软件进行改变。
针对图像信号在互联网上广泛传输的需要, 设计了一个基于硬件的以太网接口电路, 可以实现将图像信号接入以太网传输, 接入速度快、运行稳定。
摘要：介绍了一款接口电路, 可以直接将图像信号接入到网络上传输或处理。较详细地介绍了电路的设计思路和实现方法。本电路具有比较广阔的实际应用前景。
关键词：图像信号,网络传输,ADV202芯片,MicroBlaze处理器
参考文献
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以太网接口转换器 篇5
基于以太网的数控系统主要面对同步性、实时性和可靠性问题, 以太网在数控系统中的应用技术发展迅速, 但很多的应用主要采用以太网硬件实现工厂级和现场级网络连接, 以太网的数控系统应用在运动控制中仍然以现场总线应用为主, 并未实现真正的以太网数控系统应用。数控系统中一般将传输信息划分为确定性信息和非确定性信息两种, 其中确定性信息主要指插补命令、机床状态和周期性位控等周期性实时信息传输, 非确定性信息指故障报警、文件下载等突发事件和非实时性信息。数控系统数据传输要求根据周期信息时间确定性通信问题、突发信息的实时传输问题、信息共存问题和各单元之间的周期同步问题等, 提高系统的同步性、实时性和可靠性。
数控系统中各通道间的协同、插补轴之间的联动对信息传输时间的同步性要求较高, 传统的数控系统采用集中控制模式, 各个进程可以通过系统的全局时钟获得时间, 以太网的数控系统通过系统内的多个节点获取时间, 但节点存在物理上的分散性, 因此以太网的数控系统不能采用全局时钟, 系统内的各节点依靠本地时钟运行, 但本地时钟的运行环境和速率不一致, 再加上以太网固有网络的延迟和传输不稳定性, 导致各节点的传输时间差异较大, 对数控系统的性能也有较大影响。
实时性问题是指控制系统的数据处理速度满足系统要求, 控制指令没有延迟且能在规定时间内完成系统任务等, 数控系统在进行位置控制时实时性要求较高, 且针对不同场合和不同层次有不同的实时性要求。以太网作为一个非实时网络, 其固有网络传输不确定性对系统有较大影响, 需要针对以太网数控系统的数字接口技术研究实时性问题。
数控系统发生突发故障会造成很大的损失, 应根据以太网的数控系统的数字接口研究系统的可靠性问题, 最初研究的以太网对网络可靠性问题的关注不高, 且网络抗干扰能力较弱, 应用于数控系统时, 要求以太网具有更高的可靠性、网络诊断和恢复能力, 以保证网络系统发生故障时系统仍然可以正常运行, 保证系统的同步性和实时性, 因此基于以太网的数控系统的性能应以可靠性研究为前提, 提高数控系统的自动修复能力和抗干扰能力。
2 基于以太网数控系统的全数字接口分析
将以太网引入数控系统作为数控系统各个层次统一的数字接口可以解决数控系统开放性。数字化、高速化和网络化等问题, 接口协议层通过标准以太网基础上改造的以太网数字接口, 可实现运动控制和执行协议层之间的实时通信, 同时支持逻辑控制协议层和执行协议层之间的同步实时通信, 以太网本身作为高速率的全数字化网络, 通过提高其同步性、实时性和可靠性, 可以实现高速高精运动控制数据传输。以太网是目前最为开放的网络, 技术成熟且应用广泛, 通过以太网连接数控系统中的各项模块可实现模块重构、互换和裁剪等工作, 利用以太网的数控系统数字接口技术可以更好的提高系统的开放性和稳定性, 且以太网的硬件和软件间隔便宜、具有较高的稳定性, 采用以太网的数控系统全数字接口技术不仅能提高系统的开放性, 还可以有效降低系统的控制成本和生产成本。以太网的全数字接口主要采用的是以太网硬件和MAC层协议, 在以太网的基础上实现的通信协议和通信软件, 具有更好的同步性、实时性和可靠性。
随着数控系统的发展, 单一的操作系统已经难以满足数控系统的相关任务要求, 根据特征尺度的层次化思想, 在以太网数控系统基础上的体系结构具有多处理器的特点, 根据时间尺度、空间尺度和逻辑尺度的问题, 可在数控系统软件体系中实现多种操作系统运行, 构建层次化的多操作系统软件结构, 例如WINDOWS操作系统在用户界面协议层基础上, 可实现人机界面、任务管理等功能;运动控制协议层根据RT-Linux可实现高实时性要求的运动控制功能。以太网的数控系统数字接口技术可基于特征尺度的层次化体系结构, 在硬件上实现多处理器融合重构, 软件上实现多操作系统, 以满足数控系统体系结构的需求。
以太网的数控系统体系结构可将WINDOWS操作系统作为人机交互界面, 采用RTLinux系统作为内核操作系统, 以提高数控系统的实时性, 实现多操作系统的软件结构。以太网开发的全数字接口协议可以利用廉价的以太网芯片期间, 构建高速化、高响应的全数字接口, 在数控系统应用中可以大大提高系统的开放性和可靠性。
3 结语
以太网的迅速发展使其网络系统逐渐完善, 得到了广泛的应用支持, 虽然以太网在商业用途上取得了较大的成功, 但在工业应用中仍然存在较多缺陷, 对以太网的数控系统数字接口技术的研究应从多个方面展开, 提高系统的可靠性、实时性和同步性。以太网作为高速率的全数字化网络, 将其作为数控系统各个层次的数字接口展开研究, 对解决数控系统实际应用中的相关问题、提升系统的整体性和开放性有积极意义。
摘要：以太网具有低成本、稳定性高且应用广泛等特点, 作为通信领域的事实标准, 以太网技术成熟且稳定性高, 适用于数控系统数字接口标准。数控系统的网络化和数字化发展对数字接口网络有了更高的要求, 本文主要针对以太网在数控系统数字接口中的应用, 提出了以太网对解决数控系统问题的相关方法。
关键词：以太网,数控系统,数字接口,实时通信,同步
参考文献
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基于ARM的以太网接口电路设计 篇6
1 系统硬件设计
1.1 系统结构及原理
基于ARM的以太网系统原理结构示意图如图1所示,它主要由以太网接口、以太网控制器和ARM处理器等部分组成.
以太网接口采用标准插座HR901170A.
以太网控制器采用REALTEK公司的RTL8019AS芯片,RTL8019AS是一种高度集成的以太网控制芯片.支持全双工模式.RTL8091AS芯片内部集成了DMA控制器、ISA总线控制器和集成16KSRAM、网络PHY收发器.
ARM处理器采用PHILIPS公司的LPC2294.LPC2294是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-STM CPU.128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行.LPC2294具有外部总线控制器.可以和RTL8091AS芯片方便的连接[3].
当系统需要和以太网进行通信时,首先通过DMA方式将需要发送的数据写入RTL8091AS芯片的内部RAM中,然后由RTL8091AS自动将数据发送给以太网;当RTL8091AS接收到来自以太网的数据时,系统通过DMA方式将数据读入到ARM处理器中进行处理.
1.2 LPC2294处理器平台的硬件设计LPC2294处理器的电路设计如图2所示.
系统工作电源为+5 V.LPC2294为3.3 V和1.8 V双工作电压.时钟电路使用频率为11.059 2 MHz的外部晶振.复位电路采用了带I2C存储器的电源监控芯片,提高了系统的可靠性.JTAG电路采用ARM公司提出的标准20脚JTAG仿真调试接口.BOOT1,BOOT2为自举模式选择,系统采用内部FLASH启动系统.以太网接口采用外部数据总线接口,使用外部存储控制的Bank3部分.
1.3 LPC2294和RTL8091AS的接口电路设计
RTL8019AS的数据总线宽度为16位数据总线,采用数据地址非复用模式.RTL8019AS和LPC2294的接口电路如图3所示.
由图2可知,RTL8019AS使用LPC2294外部存储控制的Bank3部分,RTL8019AS在SA8=1、SA5=0的时候选通,其数据地址为0x83400000—0x8340001F.RSTDRV是RTL8019AS的复位输入信号,INT0是中断输出信号.由于RTL8019AS的工作电平为+5 V,LPC2294的工作电平为+3.3 V,所以在RTL8019AS的数据总线SD0—SD15、地址总线上串联一个470 Ω的电阻到LPC2294上.
当系统上电后,由LPC2294给RTL8019AS提供复位信号,完成RTL8019AS的上电初始化工作.处理器LPC2294通过DMA方式发送数据到RTL8019AS的片内RAM中,RTL8019AS自动将数据发送出去;而RTL8019AS由以太网接收到数据后,将向处理器发送中断信号,处理器响应中断后同样通过DMA方式将数据读出.
2 系统的软件设计
由于RTL8019AS内部集成了MAC(媒体访问),所以系统只需要编写传输层协议即可实现以太网功能.传输层有2个协议传输数据:传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP.TCP是基于IP数据帧的传输,能够提供可靠的数据传输服务.UDP协议是提供最少服务和费用的传输层协议[2].
SOKET接口函数是TCP/IP的API,此接口函数为通过测试的IP软件包.使用SOKET API函数编写UDP,TCP/IP通信的任务时分为服务器方式和客户机方式.系统实现的是服务器方式,由PC机实现客户机方式.服务器方式是先接收到数据再进行处理.UDP和TCP/IP通信服务器端的软件设计流程图如图4所示.
当进行UDP通信时首先建立一个发送数据的缓冲区,然后设定客户机的IP地址,服务器端口号,设定本地IP地址,设置本地监听端口号,绑定服务器地址,接收数据,发送数据.
当进行TCP/IP通信时,首先创建接收数据缓存区,然后设定本地IP地址,设定监听的本地端口,建立一个基于TCP通信的发送数据缓冲区,绑定本地IP地址和监听端口,接收客户端的连接请求,检查是否连接成功,读取数据,发送应答,清空接收缓存区,断开连接.
3 系统的调试
3.1 UDP通信调试
把系统和一台带有网卡的PC机相连,然后在PC机端打开“开始”→“运行”,在“运行”对话框中输入“ping *.*.*.*-t”(*为设定的服务器端的IP地址)单击“确定”按钮就可以看到PING成功的信息.在PC机端运行测试软件UDPtest,此软件为在PC机平台上编写的UDP通信测试软件.在远程主机地址栏中输入设置的IP地址,远程端口号和本地端口号.系统和PC机就可以进行UDP通信了.
3.2 TCP/IP通信调试
在PC机端打开“开始”→“运行”,在“运行”对话框中输入“ping *.*.*.*-t”(*为设定的服务器端的IP地址)单击“确定”按钮就可以看到PING成功的信息.然后打开Microsoft Internet Explorer ,在地址栏输入上面输入的IP地址,就可以访问在ARM系统中运行的服务器程序了.
4 结 束 语
系统采用LPC2294处理器和RTL8019AS以太网控制器.LPC2294有外部存储器控制器(EMC),同时支持多达4个单独配置的存储器组,总线宽度为8、16、32位可配置,和RTL8019AS可以很好地连接.地址数据非复用总线模式提高了数据传输速度,降低了数据传输出错机率.RTL8019AS向LPC2294发送数据采用外部中断模式,保证了系统的实时性,能够很好地实现以太网功能,提升嵌入式系统的价值,具有广泛的应用价值.
参考文献
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以太网接口转换器 篇7
随着计算机技术、电子技术和通信技术的迅猛发展,采用以太网通信的网络数字视频监控系统,因其具有经济、组网灵活、使用方便等优点,也获得了较快发展,成为目前数字视频监控系统的主要方式[1]。网络摄像机是传统摄像机与网络视频技术相结合的新一代产品,除了具备一般传统摄像机所具有的图像捕捉功能外,机内还内置了数字化压缩控制器和基于Web的操作系统,使得视频数据经压缩加密后,可以通过局域网、Internet或无线网络送至终端用户[2,3]。
本研究主要探讨基于以太网的数字摄像机硬件接口的设计。
1基于以太网的网络数字摄像机
网络摄像机典型应用图,如图1所示。
基于以太网的数字摄像机首先把视频信号和音频信号进行A/D转换以及压缩,通过以太网把压缩后的图像和声音数据流发给联网的计算机,在计算机上进行实时回放、存储,同时可以由计算机发出命令直接控制云台的垂直、水平转动,以及摄像机的聚焦、变焦等动作。图1中的摄像机即为带有云台的网络数字摄像机,每台摄像机直接通过一根双绞线接入以太网,摄像机内包括模拟的摄像头和麦克风,网络中的任何一台电脑都可以通过专用软件监视现场情况(包括图像与声音),也可以通过网络控制摄像机与云台的运动[4]。
网络数字摄像机的工作原理,如图2所示。
系统主要由视频信号采集、音频信号采集、视/音频信号压缩、中央处理器、以太网传输、云台、三可变镜头驱动等6部分组成。首先,由PAL/NTSC制彩色摄像机获取物体图像,输出模拟复合全电视信号(CVBS)或S-VIDEO(Y/C)视频信号,并送至图像信号采集部分进行高速模/数转换,形成符合CCIR601标准的Y/U/V分量数字视频信号。由麦克风拾得的环境声音信号,送至音频信号采集部分,将音频信号进行模/数转换后得到PCM数字音频信号。数字化后的视/音频数字信号同步输入MPEG-1硬件压缩芯片,按照MPEG-1的算法进行压缩、打包、复用处理后,输出MPEG-1单一数据码流。
单一数据流经过中央处理器的处理,通过10/100 M自适应以太网接口电路转发,利用RJ-45接口将数据输出。并通过10/100 M以太网发送至所需的计算机及相关设备,进行监视、存储、处理等。同时,外部计算机发给网络数字摄像机的有关控制信号(如云台旋转、镜头、焦距调节等),通过以太网送至摄像机的中央处理器(CPU),由该CPU负责接收,并根据要求,通过驱动电路,对摄像机的云台、三可变镜头进行调节,完成控制任务。
2硬件设计
在芯片的选型上,本研究采用了TMS320VC5402作为CPU。TMS320VC5402是TI公司推出的一款高性能、低价格的DSP芯片,该芯片为16位的定点DSP处理器,最高运行速度为160 MIPS,片内具有16 KB的SRAM。音/视频压缩芯片采用以色列Emblaze公司的Z1510,可同时实现音/视频的压缩。由于基于PCI总线的以太网芯片与CPU的接口比较麻烦,以太网的接口芯片采用台湾ASIX公司的AX88796芯片总线接口方式[5]。
2.1视频接口设计
该部分由模拟摄像机和Philips公司的视频解码芯片SAA7113H完成。SAA7113H为视频输入处理器(VIP),可以将视频信号按要求转换成YUV格式,其具有双通道模拟处理电路,包括信号源选择、抗混叠滤波器、ADC、自动增益控制、时钟发生电路、数字多协议解码器(PAL BGHI, PAL M, PAL N,NTSC M和NTSC N)、亮度/对比度/饱和度控制电路和颜色空间矩阵。SAA7113H还具有4个模拟信号入口,能够将PAL和NTSC信号转化成与CCIR-601兼容的颜色成分。该芯片可由I2C总线控制。
该部分电路可输入PAL制式或NTSL制式的4路全电视复合视频信号或者2路S-VIDEO信号(亮度Y(t)、色度C(t)分离)或者2路全电视复合视频信号和1路S-VIDEO信号,SAA7113H输出为符合CCIR601标准的4:2:2(8位)YUV数字视频信号,通过VPO0～VPO7与压缩芯片视频接口相连。
2.2音频接口设计
音频信号采集及数字化工作由TI-BB公司的PCM3008完成。PCM3008为总和增量调制编码(Δ-∑)型音频A/D转换器,内部有单端-差分转换电路,采用64倍速过采样技术,可选32 Hz、44.1 kHz 、48 kHz采样速率,输出16位立体声音频数据。麦克风获取的左、右声道音频信号输入VINL、VINR,模拟音频信号的采样速率可由DEM0、DEM1控制。输出16位立体声数字音频信号,通过I2S接口与压缩芯片的音频接口连接。
2.3视、音频压缩接口设计
MPEG-1视/音频信号压缩单元由Emblaze公司的Z1510芯片及其1片1 M×16 bit SDRAM组成。Z1510通过视频接口与视频解码芯片SAA7113H相连,通过I2S接口与音频芯片PCM3008相连,音频采用MPEG-1 LayⅡ压缩。1M×16 bit SDRAM用于存放经MPEG-1压缩后的系统声像数据流。Z1510有专门的接口与SDRAM无缝连接,如图3所示。
2.4中央处理器(CPU)
CPU选用TI公司的16位高速DSP芯片TMS320C5402,指令周期为10 ns,运算能力100 MIPS。TMS320C5402数据总线宽度为16位,地址总线宽度20位,片内含16 K×16 bit可双向访问RAM,片外扩展了512 K Flash存储器。DSP负责系统各部分电路的协调,包括对可编程芯片的初始化,读取经过MPEG-1压缩芯片Z1510处理的视/音频系统数据流,并将其打包,完成TCP/IP网络协议部分工作,如图4所示。
2.5以太网接口设计
以太网控制芯片选用ASIX公司的AX88796,片内集成10/100 M的MAC、物理层收发器和8 K×16 SRAM,并支持包括MCS-51系列、80186系列、MC68K系列和ISA总线等8位和16位CPU接口,完成10 M/100 M自适应以太网功能,如图5所示。
2.6云台、三可变镜头的驱动输出
由网络部分接收到上位机的云台转动、镜头操作等命令,通过DSP的GPIO口控制驱动电路,使云台、三可变镜头按照指定命令动作。
3通信协议设计
监控系统对实时性的要求很高,音/视频数据流的实时传输除需要速度较快的编码芯片、传输信道等硬件的支持,采用适当的通信协议也是至关重要的[6]。基于以太网的数字摄像机通信协议的设计主要包括各部分的初始化、用户管理、网络数据传输、云台及摄像机控制等4个部分。
(1) 初始化。
系统各部分的初始化,包括网络摄像机初始MAC地址、IP地址、多播组IP地址、频道号、初始用户等信息的设置,这些参数均可以通过软件来修改。
(2) 用户管理。
包括超级用户、管理员用户和普通用户3类。普通用户又分为2种:①除了设置参数外可以收看所有频道并控制云台及摄像机的用户;②受限制的用户,只能收看某几个频道或只有控制某几个频道的云台和摄像机的权限。初始化时无普通用户,可通过命令进行增加、删除、修改、查询用户。
(3) 网络数据传输。
主要包括MPEG-1数据流的发送和获取。发送部分主要将数据缓冲区中的MPEG-I数据流以UDP包的形式发送出去。获取部分主要由DSP的INT3中断服务子程序来实现。对应的命令与操作,如表1所示。
(4) 云台及摄像机控制。
主要针对解析出的上位机命令,对相应的一般I/O口作置位操作。对应的命令与操作,如表2所示。
4结束语
本研究介绍了一个基于以太网的嵌入式网络摄像机的硬件设计。该系统的主要特点是:要求实现多媒体数据通信,数据量比较大,且实时性要求比较高。因此在系统设计时,CPU采用速度较快的DSP芯片以完
成数据传送及网络协议实现等任务,以太网接口芯片采用了支持100 M以太网而且易于和DSP接口的AX88796,在进行网络数据传输时,采用了多播方式的UDP数据报传输,可以实现多台计算机接收同一数字摄像机发出的图像、声音数据。
摘要：为实现数字化和网络化的视频监控,采用了专用音/视频压缩芯片和DSP芯片,及UDP数据报多播传输方式,完成了基于以太网的嵌入式数字摄像机的硬件接口设计及相应通信协议的设计,实现了全实时同步音/视频采集、压缩、存储和网络传输。研究结果表明,多媒体数据通信的实时性、连续性较好,并可实现多台计算机接收同一数字摄像机发出的图像、声音数据。
关键词：网络摄像机,以太网接口,数字信号处理器,用户数据协议
参考文献
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