【正文】 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)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(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，嵌入式技術(shù)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(shù)的發(fā)展和普及更為引人注目，已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)控制、通信類和消費類產(chǎn)品發(fā)展的方向，在通信領(lǐng)域，眾多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如 VOIP，WirelessLAN， ADSL 等都包含有大量嵌入式技術(shù)的成份，廣播電視在向數(shù)字化的趨勢發(fā)展， DVB， DAB 技術(shù)也逐漸在全面推廣起來，個人消費類產(chǎn)品，如 PDA、數(shù)碼相機、 MP3 播放器等產(chǎn)品都離不開嵌入式技術(shù)的支持，嵌入式技術(shù)在 ATM、可視電話、汽車的 ABS 等 產(chǎn)品中也都有大量的應(yīng)用，此外，軍事領(lǐng)域之中也處處可見嵌入式技術(shù)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(jīng)滲透到 人 們?nèi)粘Ｉ钜灾羾野踩烙w系之中 [1]。 嵌入式技術(shù)發(fā)展的核心是嵌入式微控制芯片技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)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(yīng)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(yīng)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(dāng)今嵌入式領(lǐng)域中使用最為廣泛的是基于 ARM 體系結(jié)構(gòu)的嵌入式處理器，其占據(jù)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(jīng)推出 ARM7， ARM9， ARM9E， ARM10， SecurCore 以及 Intel 的 StrongARM 和Xscale 等一系列的產(chǎn)品。這些不同版本的處理器內(nèi)核，雖一脈相承，但應(yīng)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(yīng)用而設(shè)計的；而ARM9 系列處理器主要應(yīng)用于下一代 的無線設(shè)備； SecurCore 則是專為安全設(shè)備而定制的 [2]。 技術(shù)的發(fā)展要與實際應(yīng)用相結(jié)合，才能體現(xiàn)出技術(shù)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(wǎng)的嵌入式控制實現(xiàn)也正在國內(nèi)外如火如荼的展開，以太網(wǎng)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(jīng)被國內(nèi)外很多監(jiān)控、控制領(lǐng)域的研究人員廣泛關(guān)注，并在 實際應(yīng)用中。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 2 頁 共 32 頁 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 以太網(wǎng)是一種采用載波偵聽多路訪 N／沖突檢測 (CSMA／ CD)和介質(zhì)存取控制(MAC)協(xié)議在共 享介質(zhì)上傳輸數(shù)據(jù)的技術(shù)。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(xiàn)以來，便很快成為局域網(wǎng)的主流， 3 基于 ARM處理器的串行通信與以太網(wǎng)協(xié)議的研究與應(yīng)用在城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)上也得到很廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，目前全球 85％的網(wǎng)絡(luò)采用了以太網(wǎng)技術(shù)。早期的以太網(wǎng)被稱為共享以太網(wǎng)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(wǎng) CSMA／ CD 技術(shù)來避免沖突，即發(fā)送方檢測到?jīng)_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(wǎng)對時間響應(yīng)具有不確定性 。近年來出現(xiàn)的交換以太網(wǎng)(SwitchedEther)克服了這一缺點。交換以太網(wǎng)將網(wǎng)絡(luò)以星型拓撲結(jié)構(gòu)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(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量得到很大提高。在傳輸速度方面，以太網(wǎng)從出現(xiàn)至今的 20 多年的發(fā)展時間里，運行速度提高了兩個數(shù)量級，從 80年代的 10Mbps到 90年代的 100Mbps、 1000Mbps，再到現(xiàn)今的 10Gbps。以太網(wǎng)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(chǎn)領(lǐng)域來說，具有很大的吸引力。目前，在國內(nèi)外的工業(yè)領(lǐng)域，由以太網(wǎng)與工業(yè)現(xiàn)場相結(jié)合的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)正處于研究和初步應(yīng)用之中，成為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)建設(shè)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(wǎng)技術(shù)和 TCP／ IP 協(xié)議構(gòu)建的互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)延伸到每個角落，人們可以利用互聯(lián)網(wǎng)快捷方便地共享信息、查詢資料、建立電子商務(wù)等等?？梢韵嘈?，隨著互聯(lián)網(wǎng)的進一步普及和發(fā)展，以太網(wǎng)技術(shù)將會得到更為廣泛的應(yīng)用。 本文的工作 本文主要研究了基于 ARM 芯片的 以太網(wǎng)接口電路設(shè)計 。在 深入剖析 以太網(wǎng)傳輸規(guī)范協(xié)議的基礎(chǔ)上 ，選擇單獨一個 沒有 以太網(wǎng) 模塊功能的 ARM 芯片作為主控芯片 外接一個以太網(wǎng)控制芯片構(gòu)成以太網(wǎng)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(wǎng)接口電路 功能的設(shè)計。本文主要闡述了設(shè)計需要的原理知識以及詳細設(shè)計的過程，主要完成的工作如下： 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 3 頁 共 32 頁 一． 根據(jù)設(shè)計要求 選用 STM32F103VET6嵌入式芯片 ,應(yīng)用 protel99SE軟件作出所 需要使用的外圍設(shè)備的電路原理圖與 PCB 圖，完成系統(tǒng)硬件平臺的構(gòu)建。 二． 結(jié)合相關(guān)以太網(wǎng)知識選取以太網(wǎng)控制芯片 RTL8019AS，并結(jié)合 20F001N 和RJ45 接口構(gòu)成外圍電路。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 4 頁 共 32 頁 2 系統(tǒng)總體設(shè)計 根據(jù)本設(shè)計的要求，首先需要明白設(shè)計需要完成的內(nèi)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(shè)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(gòu)成最終可用電路圖 [4]。 設(shè)計方案的確定 設(shè)計一個 以太網(wǎng)接口電路 ， 通常 有兩種設(shè)計方案： 第一種 為選擇一種能具有 以太網(wǎng)模塊 功能的芯片獨立實現(xiàn)，從而簡化了硬件設(shè)計， 但是 如果只為了實現(xiàn)單一的以太網(wǎng)，這樣無疑提高了 經(jīng)濟成本 ，另 一種是與通常 以太網(wǎng)電路 設(shè)計相似，選擇一款 ARM 微控制芯片如 LPC2210 和相應(yīng)的 以太網(wǎng) 主控芯片如 RTL8019AS，將兩芯片進行相應(yīng)的硬件連接，同時基于硬件進行相應(yīng)的軟件編程來實現(xiàn)。這種設(shè)計的優(yōu)點為，將一個復(fù)雜的設(shè)計分成不同功能的模塊解決，芯片分工明確且避免了相關(guān)底層驅(qū)動沖突等問題，但缺點 是 工作量加大?？v觀國內(nèi)市場占有率高的芯片，從經(jīng)濟成本與設(shè)計工作量兩方面考慮，發(fā)現(xiàn)第 二 種方案切實可行， 本文 選取第 二 種設(shè)計方案 [5]。 芯片的選擇 根據(jù)設(shè) 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(wǎng)控制芯片 (3)以太網(wǎng)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(gòu)的 CortexM3內(nèi)核 的 CPU核心 ， 獨立的 16kb指令緩存和 16kb的數(shù)據(jù)高速緩存 ， ST公司針對各種不同市場應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域而專門設(shè)計 ，強調(diào)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(shù)少、中斷延遲小、調(diào)試容易的特點，其應(yīng)用范圍跨越低 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 5 頁 共 32 頁 端微控制器與復(fù)雜的 SoC系統(tǒng)，且通過一個基于堆棧的異常模式的實現(xiàn)，顯著的縮小了內(nèi)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(fù)位和電源管理 — I/O管腳 — 上電 /斷電復(fù)位，可編程電壓檢測器 — 內(nèi)嵌 4至 16MHz高速晶體振蕩器 — 內(nèi)嵌經(jīng)出廠調(diào)校的 8MHz的 RC振蕩器 — 內(nèi)嵌 40KHz的 RC振蕩器 — PLL供應(yīng) 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(shè)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(nèi)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(nèi)部 ， PLL， HSI和 HSE的 RC振蕩器被關(guān)閉，調(diào)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(nèi)部的電壓調(diào)壓器被關(guān)閉，因此所有內(nèi)部 ； PLL， HSI和 HSE的 RC振蕩器被關(guān)閉；進入待機模式后， SRAM和寄存器的內(nèi)容將消失，但后備存儲器的內(nèi)容仍然保留，待機電路仍工作 [9]。 80個快速 I/O 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)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(shè)功能口。多數(shù) GPIO管腳與數(shù)字或模擬的外設(shè)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(shè)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(chǎn)品無法企及的優(yōu)點 (1)使用最新的、先進架構(gòu)的 CortexM3 內(nèi)核 該芯片采用 ARMv7 的全新 CortexM3 內(nèi)核，具有多項新增的增強架構(gòu)，集成了多種系統(tǒng)外設(shè)，滿足不同應(yīng)用對成本與性能的要求，具有內(nèi)存小、高集成、低功耗的特點。 CortexM3 內(nèi)核是建立在一個高性能哈佛結(jié)構(gòu)的三級流水基礎(chǔ)上的，可滿足事件驅(qū)動的應(yīng)用需求。通過廣泛采用 時鐘選通等技術(shù)，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(yīng)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(shù)，幫助開發(fā)者縮短開發(fā)時間，能使產(chǎn)品迅速的進入市場。其提供的驅(qū)動涵蓋了 SPI、 ADC、 GPIO、 CAN、定時器和UART等所有標準外設(shè)，對應(yīng)源代碼