【正文】 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 1 頁 共 32 頁 1 引言 研究背景及意義 隨著微電子技術和計算機技術的發(fā)展，嵌入式技術得到廣闊的發(fā)展空間，特別是進入 20 世紀 90 年代以來，嵌入式技術的發(fā)展和普及更為引人注目，已經成為現代工業(yè)控制、通信類和消費類產品發(fā)展的方向，在通信領域，眾多網絡設備如 VOIP，WirelessLAN， ADSL 等都包含有大量嵌入式技術的成份，廣播電視在向數字化的趨勢發(fā)展， DVB， DAB 技術也逐漸在全面推廣起來，個人消費類產品，如 PDA、數碼相機、 MP3 播放器等產品都離不開嵌入式技術的支持，嵌入式技術在 ATM、可視電話、汽車的 ABS 等 產品中也都有大量的應用，此外，軍事領域之中也處處可見嵌入式技術的身影，如單兵信息終端，便攜式保密機，戰(zhàn)場指揮系統(tǒng)等，可以說，嵌入式系統(tǒng)已經滲透到 人 們日常生活以至國家安全防御體系之中 [1]。 嵌入式技術發(fā)展的核心是嵌入式微控制芯片技術的發(fā)展，當今微控制芯片功能變得越來越強，種類更為繁多，如 MIPS， PowerPC， X86， ARM， PIC 等，但這些嵌入式處理器受到價格以及兼容性等因素要求的限制，應用狀況有所不同， MIPS 和PowerPC 處理器市場定位較高，對于成本敏感的應用并不合適，而 x86 系列處理器要與 806 28 386 等保持兼容性，使用相同的指令集，從而限制了 CPU 系統(tǒng)性能的提高，當今嵌入式領域中使用最為廣泛的是基于 ARM 體系結構的嵌入式處理器，其占據了 80％以上的 32 位嵌入式處理器市場份額，從發(fā)展之初至今， ARM 公司已經推出 ARM7， ARM9， ARM9E， ARM10， SecurCore 以及 Intel 的 StrongARM 和Xscale 等一系列的產品。這些不同版本的處理器內核，雖一脈相承，但應用背景不同，例如， ARM7 系列處理器針對功耗和陳本要求比較苛刻的應用而設計的；而ARM9 系列處理器主要應用于下一代 的無線設備； SecurCore 則是專為安全設備而定制的 [2]。 技術的發(fā)展要與實際應用相結合，才能體現出技術進步的價值，嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展正如日中天，基于 ARM 核嵌入式微處理器的以太網的嵌入式控制實現也正在國內外如火如荼的展開，以太網在實時操作、可靠傳輸、標準統(tǒng)一等方面的卓越性能及其便于安裝、維護簡單、不受通信距離限制等優(yōu)點，已經被國內外很多監(jiān)控、控制領域的研究人員廣泛關注，并在 實際應用中。 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 2 頁 共 32 頁 國內外研究現狀 以太網是一種采用載波偵聽多路訪 N／沖突檢測 (CSMA／ CD)和介質存取控制(MAC)協(xié)議在共 享介質上傳輸數據的技術。由于其具有使用簡便、價格低、速率高等優(yōu)點，因而從 20 世紀 80 年代出現以來，便很快成為局域網的主流， 3 基于 ARM處理器的串行通信與以太網協(xié)議的研究與應用在城域網和廣域網上也得到很廣泛的應用。據統(tǒng)計，目前全球 85％的網絡采用了以太網技術。早期的以太網被稱為共享以太網是指多節(jié)點共享同一個傳輸媒體，節(jié)點問采用廣播方式通信．，所以容易發(fā)生沖突。共享以太網 CSMA／ CD 技術來避免沖突，即發(fā)送方檢測到沖突就暫停發(fā)送，隨機延遲一段時間后再重新發(fā)送直到成功 [3]。 因而共享以太網對時間響應具有不確定性 。近年來出現的交換以太網(SwitchedEther)克服了這一缺點。交換以太網將網絡以星型拓撲結構劃分為許多物理上互相隔離而邏輯上互相聯(lián)系的節(jié)點，在發(fā)送端和接收端之間建立一個獨占的全雙工通道，因而能有效避免沖突，同時使得以太網的服務質量得到很大提高。在傳輸速度方面，以太網從出現至今的 20 多年的發(fā)展時間里，運行速度提高了兩個數量級，從 80年代的 10Mbps到 90年代的 100Mbps、 1000Mbps，再到現今的 10Gbps。以太網的速度優(yōu)勢、低廉的端口價格和優(yōu)越的性能，對于那些準備實行信息化改造以提高 效率的生產領域來說，具有很大的吸引力。目前，在國內外的工業(yè)領域，由以太網與工業(yè)現場相結合的工業(yè)以太網技術正處于研究和初步應用之中，成為工業(yè)控制網絡建設的一種可行的解決方案。在人們的日常生活和工作中，基于以太網技術和 TCP／ IP 協(xié)議構建的互聯(lián)網已經延伸到每個角落，人們可以利用互聯(lián)網快捷方便地共享信息、查詢資料、建立電子商務等等?？梢韵嘈?，隨著互聯(lián)網的進一步普及和發(fā)展，以太網技術將會得到更為廣泛的應用。 本文的工作 本文主要研究了基于 ARM 芯片的 以太網接口電路設計 。在 深入剖析 以太網傳輸規(guī)范協(xié)議的基礎上 ，選擇單獨一個 沒有 以太網 模塊功能的 ARM 芯片作為主控芯片 外接一個以太網控制芯片構成以太網接口電路 ，所選芯片型號為 ST 公司的最新CortexM3 核的 STM32 系列芯片 嵌入式芯片 作為主控芯片， 完成 以太網接口電路 功能的設計。本文主要闡述了設計需要的原理知識以及詳細設計的過程，主要完成的工作如下： 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 3 頁 共 32 頁 一． 根據設計要求 選用 STM32F103VET6嵌入式芯片 ,應用 protel99SE軟件作出所 需要使用的外圍設備的電路原理圖與 PCB 圖，完成系統(tǒng)硬件平臺的構建。 二． 結合相關以太網知識選取以太網控制芯片 RTL8019AS，并結合 20F001N 和RJ45 接口構成外圍電路。 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 4 頁 共 32 頁 2 系統(tǒng)總體設計 根據本設計的要求，首先需要明白設計需要完成的內容。本文按照 先 確定大框架開始 ，然后逐步細化到每個芯片之間的連接， 首先確定設計的方案，之后是微控制芯片的選取，其中包含選取該芯片的原因、該芯片的優(yōu)點與芯片簡單介紹，硬件電路 平臺的 搭建， 然后連接電路構成最終可用電路圖 [4]。 設計方案的確定 設計一個 以太網接口電路 ， 通常 有兩種設計方案： 第一種 為選擇一種能具有 以太網模塊 功能的芯片獨立實現，從而簡化了硬件設計， 但是 如果只為了實現單一的以太網，這樣無疑提高了 經濟成本 ，另 一種是與通常 以太網電路 設計相似，選擇一款 ARM 微控制芯片如 LPC2210 和相應的 以太網 主控芯片如 RTL8019AS，將兩芯片進行相應的硬件連接，同時基于硬件進行相應的軟件編程來實現。這種設計的優(yōu)點為，將一個復雜的設計分成不同功能的模塊解決，芯片分工明確且避免了相關底層驅動沖突等問題，但缺點 是 工作量加大?？v觀國內市場占有率高的芯片，從經濟成本與設計工作量兩方面考慮，發(fā)現第 二 種方案切實可行， 本文 選取第 二 種設計方案 [5]。 芯片的選擇 根據設 計要求，本論文主要下面幾種主要芯片 : (1)主控芯片 (2)以太網控制芯片 (3)以太網變壓器芯片 (4)存儲器芯片 主控芯片的選擇 本文需要選取一個方便易用且有較之其他同類功能的芯片有較大優(yōu)點的微控制芯片 ，所以選擇了 ST公司的 STM32F103VET6芯片 ， 該芯片能遠優(yōu)于其它同類芯片得益于其先進架構的 CortexM3內核 的 CPU核心 ， 獨立的 16kb指令緩存和 16kb的數據高速緩存 ， ST公司針對各種不同市場應用與性能需求提供了一整套完整的優(yōu)化解決方案 ， 其中的 STM32系列主要針對價格敏感的微控制應用領域而專門設計 ，強調了操作的確定性，以及性能、功耗與價格的平衡 [6]。 STM32系列 還具有 門數少、中斷延遲小、調試容易的特點，其應用范圍跨越低 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 5 頁 共 32 頁 端微控制器與復雜的 SoC系統(tǒng)，且通過一個基于堆棧的異常模式的實現，顯著的縮小了內核的物理尺寸 [7]。 STM32F103VET6主要特點 ： ARM 32位的 CortexTM M3 CPU — 72MHz， — 單周期乘法和硬件除法 — 從 32K字節(jié)至 128K字節(jié)的閃存程序存儲器 — 從 6K字節(jié)至 20K字節(jié)的 SRAM ，復位和電源管理 — I/O管腳 — 上電 /斷電復位，可編程電壓檢測器 — 內嵌 4至 16MHz高速晶體振蕩器 — 內嵌經出廠調校的 8MHz的 RC振蕩器 — 內嵌 40KHz的 RC振蕩器 — PLL供應 CPU時鐘 — 睡眠，停機和待機模式 — VBAT為 RTC和后備存儲器供電 睡眠模式，只有 CPU停止，所有外設處于工作狀態(tài)并可以發(fā)生中斷 /事件是喚醒CPU 停機模式，在保持 SRAM和寄存器內容不丟失的情況下，停機模式可以達到最低的電能消耗。在停機模式下，停止所有內部 ， PLL， HSI和 HSE的 RC振蕩器被關閉，調壓器可以被置于普通模式或低功率模式 [8]。 待機模式，在待機模式下可以達到最低的電能消耗。內部的電壓調壓器被關閉，因此所有內部 ； PLL， HSI和 HSE的 RC振蕩器被關閉；進入待機模式后， SRAM和寄存器的內容將消失，但后備存儲器的內容仍然保留，待機電路仍工作 [9]。 80個快速 I/O 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 6 頁 共 32 頁 — 所有可以映像到 16個外部中斷 每個通用輸入輸出接口（ GPIO）都可以由軟件配置成輸出，輸入（帶或不帶）或其它的外設功能口。多數 GPIO管腳與數字或模擬的外設共用。 所有的 GPIO管腳都有大電流通過能力。再需要的情況下， I/O管腳的外設功能可以通過一個特定的操作鎖定，以避免意外的寫入 I/O寄存器 [10]。 該芯片還具有多項其它同類產品無法企及的優(yōu)點 (1)使用最新的、先進架構的 CortexM3 內核 該芯片采用 ARMv7 的全新 CortexM3 內核，具有多項新增的增強架構，集成了多種系統(tǒng)外設，滿足不同應用對成本與性能的要求，具有內存小、高集成、低功耗的特點。 CortexM3 內核是建立在一個高性能哈佛結構的三級流水基礎上的，可滿足事件驅動的應用需求。通過廣泛采用 時鐘選通等技術，改進了每個時鐘周期的性能，包括單周期的 32*32乘法和硬件除法，獲得了優(yōu)異的性能比，與之前的 ARM7TDMI相比，運行速度最多可快 35%且代碼最多可節(jié)省 45%[11]。 (2)杰出的功耗機制 針對應用中運行模式下高效率的動態(tài)耗電機制、待機狀態(tài)時極低的電能消耗、電池供電時的低電壓工作能力這三種主要的能耗需求進行優(yōu)化，具有高性能低功耗的優(yōu)點。 (3)易于開發(fā) ST公司提供了完整、高效的開發(fā)工具和庫函數，幫助開發(fā)者縮短開發(fā)時間，能使產品迅速的進入市場。其提供的驅動涵蓋了 SPI、 ADC、 GPIO、 CAN、定時器和UART等所有標準外設，對應源代碼