基于ARM的100Mbit/s以太網在數控系統中的應用

摘 要：本文通過設計ARM芯片S3C4510B與網絡物理層芯片RTL8201BL的軟、硬件接口，實現了下位機和PC機之間基于UDP/IP協議的通信。克服了采用串口通信的一系列弊端，通過一根網線就可以輕松實現PC機和下位機控制器的數據傳輸。通信速率可達100Mbps滿足控制系統對實時性的要求。在通信線路簡單可靠的基礎上采用UDP/IP協議代替TCP/IP協議不僅提高了數據的傳輸效率也大大簡化編程的復雜度。

關鍵詞：ARM S3C4510B RTL8201BL UDP/IP協議 PE68515

1 概述

　　串口通信技術在數據通信中的應用極為廣泛。但是，其固有的通信距離小、抗干擾能力差等缺點使其無法滿足對實時性要求較高的現代工業控制。隨著近年來網絡技術和以ARM為代表的32位處理器的發展，通過網絡實現ARM與PC機高速、可靠的通信已成為可能。

　　本文的主要目的是設計一種高速、可靠的通信方式，實現PC機和數控系統的數據傳輸，克服傳統串口通信傳輸距離短，速度慢的缺點。本設計采用三星公司以ARM7為內核的S3C4510B芯片，通過RTL8201BL和網絡變壓器PE68515實現和PC機的通信。

2 ARM芯片S3C4510B 簡介

　　S3C4510B是基于以太網應用系統的高性價比16/32位RISC微控制器，內含一個由ARM公司設計的16/32位ARM7TDMI RISC處理器核。ARM7TDMI為低功耗、高性能的16/32核，特別適用于對功耗敏感的應用場合，且價格低廉。三星公司在ARM7TDMI處理器核的基礎上擴展了多個片內外圍功能模塊以滿足不同的客戶需要。本設計采用S3C4510B芯片，因為它集成了一個片內Ethernet控制器。該控制器具有如下特點：

　　· 帶猝發模式的DMA引擎;

　　· DMA發送/接收緩沖區（256字節發送，256字節接收）;

　　· MAC發送/接收FIFO緩沖區（80字節發送，16字節接收）;

　　· 數據對準邏輯;

　　· 支持端模式變換;

　　· 100M/10Mbps的工作速率;

　　· 與IEEE802.3標準完全兼容;

　　· 提供MII和7線制10Mbps接口;

　　· 站管理信號生成;

　　· 片內CAM（可達21個目的地址）;

　　· 帶暫停特性的全雙工模式;

　　· 支持長/短包模式;

　　· 包拆裝PDA生成。

3 RTL8201BL簡介

　　RTL8201BL是我國臺灣地區Realtek公司生產的一種網絡物理層芯片，它支持10/100Mbps網絡傳輸，符合IEEE802.3協議。它包括物理譯碼子層、物理介質連接子層、雙絞線物理介質相關子層、10Base-Tx譯碼/解碼、雙絞線介質連接單元。支持PECL（正極射極耦合邏輯）電平接口的100Base-TX光纖發送器。適應低電壓、低功耗要求。

　　RTL8201BL的主要引腳功能如下表1所示：
　　

4 硬件接口電路設計

　　本設計硬件接口電路如圖1所示：

　　1） S3C4510B和RTL8201BL對應的引腳直接相連。其中RTL8201BL的RESETB引腳為復位引腳和S3C4510B的復位引腳nRESET連接。

　　2） RTL8201BL經過網絡變壓器PE68515后和PC機通過網線連接。

　　TPRX+和TPRX-為接收數據，TPTX+和TPTX-為發送數據。

　　ANE接3.3V電源表示網絡可自動識別用10M還是100M模式;Duplex接高電平使能全雙工方式;Speed接高電平則選擇網絡傳輸速度為100Mbit/s;LDPs接高電平允許進入LDPs模式（沒有連接信號是進入節電狀態，可節電60%-80%）;MII/SNIB接高電平采用MII（介質無關接口）模式。

　　RTSET通過5.9KΩ電阻接地，產生發送地驅動電流;

　　3）PE68515為網絡隔離變壓器，利用它的最大好處是網線可以很方便的帶電拔插，而不至于象RS232口那樣造成設備的損壞。

5 S3C4510B與RTL8201BL的軟件接口設計

　　S3C4510B集成了一個網絡控制，支持IEEE802.3規則，采用TCP/IP模型。TCP/IP模

　　型共分為四層：應用層、傳輸層、網間網層、網絡接口層（鏈路層和物理層）。如圖2所示：

　　本文根據具體應用場合的特點采用無連接的UDP/IP協議。該協議適用于一次傳輸交換少量報文（尤其是交易型應用，比如數據庫查詢）的情形，其可靠性由應用程序提供。它不像TCP/IP協議那樣要包容通信子網的各種不可靠因素，幾乎直接建立在IP協議之上，相對簡單的多。UDP的價值在于其效率，當通信子網相當可靠時，UDP更是大有用武之地。

　　網絡通信過程可分為網絡初始化、接收控制、發送控制、接收以太包解析等四部分。整個網絡是一個簡化的嵌入式TCP/IP協議棧，支持ARP、ICMP、IP和UDP協議，其中，UDP協議用于高速傳輸用戶數據。本文定義基于UDP的高速數據傳輸協議如下：

　　（1） 送命令幀：上位機向下位機說明傳輸過程，包括包的大小和數量;

　　（2） 收回應幀：下位機向上位機發送接收就緒，啟動上位機發送進程;

　　（3） 發送數據幀：每次發送一個窗口大小的數據幀;

　　（4） 發送確認幀：確認已經收到數據;

　　（5） 重發未確認：每發送完畢一個窗口，重發未確認的幀。

6 小結

　　本文采用S3C4510B本身所帶的網絡控制器，通過一個物理層芯片RTL8201BL和網絡

　　變壓器PE68518實現和PC機網卡的連接，不僅硬件接口簡單，而且軟件編程容易。采用UDP/IP協議又進一步降低了編程的難度，并大大提高了通信效率。以上硬件和軟件設計已在所開發的雕刻機數控系統中獲得成功應用。

參考文獻

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