1、伺服控制系統(tǒng)的DM9000A以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)付晶1,2,王建立1(1.中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 吉林 長(zhǎng)春1300332.中國(guó)科學(xué)院研究生院 北京 100039摘要:采用以太網(wǎng)控制器DM9000A,實(shí)現(xiàn)DSP+FPGA伺服控制系統(tǒng)的100M以太網(wǎng)接入。介紹了DM9000A的功能原理,給出了該器件與TMS320F2812 DSP的硬件連接方法、軟件初始化及數(shù)據(jù)收發(fā)控制流程。關(guān)鍵詞:伺服控制;DSP;DM9000A;以太網(wǎng)中圖分類號(hào):TP334.7 獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:BDesign of Ethernet Interface of Servocontrol SystemBased on DM900

2、0AFu Jing1,2,Wang Jian-li1(1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China;2.Graduate School of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China Abstract:An efficient Ethernet interface for Servocontrol System based on DM9000A is proposed

3、.The principle and base functions of DM9000A are introduced,the scheme of hardware interface with DSP and software configuration for initialization and transceiver are presented. Key Words:Servocontrol;DSP;DM9000A;Ethernet1 引言隨著伺服控制技術(shù)的不斷發(fā)展,低功耗、高性能的DSP逐漸取代了其他控制器而占據(jù)了重要地位;同時(shí),由于網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)巨大效益,網(wǎng)絡(luò)在測(cè)試自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用

4、。有些不適合工作人員親臨的場(chǎng)所,這時(shí)就可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制。以太網(wǎng)接口控制器和DSP微處理器的價(jià)格不斷下降,使得將以太網(wǎng)直接集成到基于DSP等嵌入式系統(tǒng)的測(cè)試、采集、工業(yè)I/O設(shè)備中成為越來(lái)越明顯的趨勢(shì)。基于以太網(wǎng)的I/O設(shè)備是將以太網(wǎng)接口直接嵌入到設(shè)備內(nèi)部,所以使得設(shè)備更簡(jiǎn)潔,體積更小,安裝也更靈活。本文從軟件、硬件出發(fā),介紹一種基于DSP和以太網(wǎng)的伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及實(shí)現(xiàn)。 圖1 伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖2 伺服控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)以TI公司DSP中的TMS320F2812、ALTERA公司的CYCLONE II的EP2C5和10/ l00M自適應(yīng)以太網(wǎng)控制芯片DM9000A為核心。圖1

5、為伺服控制系統(tǒng)框圖。2.1 TMS320F2812 DSP和EP2C5 FPGA選用TI公司的TMS320F2812 DSP作為主處理器,本芯片運(yùn)算速度快(最高可達(dá)150MIPS,具有32bit高性能CPU,內(nèi)部不僅有16路的12bit高速AD,而且硬件接口功能強(qiáng)大,可擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器高達(dá)128M。DSP主要完成自動(dòng)分段PI參數(shù)選取及角度位置控制算法的實(shí)現(xiàn),并完成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理(包括信號(hào)的轉(zhuǎn)換、濾波等和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出,還有對(duì)以太網(wǎng)控制芯片的操作;FPGA芯片主要用于實(shí)現(xiàn)DSP的外圍電路,并完成位置檢測(cè)信號(hào)邏輯判別、驅(qū)動(dòng)信號(hào)保護(hù)電流斬波、過流保護(hù)等功能。位置檢測(cè)信號(hào)由光柵編碼器獲得,經(jīng)FPGA

6、送入DSP。2.2.1 簡(jiǎn)介DM9000A是臺(tái)灣聯(lián)杰國(guó)際(DAVICOM公司生產(chǎn)的一款低成本的單芯片快速以太網(wǎng)控制器,帶通用處理器接口,支持8/16位數(shù)據(jù)總線模式,16KB非易失性FLASH存儲(chǔ)器,采用48腳TQFP封裝。DM9000A實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)媒體介質(zhì)訪問層(MAC和物理層(PHY的功能,包括MAC數(shù)據(jù)幀的組裝/拆分與收發(fā)、地址識(shí)別、CRC編碼/校驗(yàn)、MLT-3編碼器、接收噪聲抑制、輸出脈沖成形、超時(shí)重傳、鏈路完整性測(cè)試、信號(hào)極性檢測(cè)與糾正等。DM9000A還支持雙絞線自適應(yīng)功能(Auot_MDIX,在網(wǎng)絡(luò)工程中施工上節(jié)省大量時(shí)間。結(jié)構(gòu)圖如圖2: 圖2 DM9000A功能結(jié)構(gòu)圖2.2.2 工

7、作原理DM9000A可以和微處理器以8位或16位的總線方式連接,并可根據(jù)需要以單工或全雙工等模式運(yùn)行。在系統(tǒng)上電時(shí),處理器通過總線配置DM9000A內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)控制寄存器(NCR、中斷寄存器(ISR等,以完成DM9000A的初始化。隨后,DM9000A進(jìn)人數(shù)據(jù)收發(fā)等待狀態(tài)。當(dāng)處理器要向以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí),先將數(shù)據(jù)打包成UDP或IP數(shù)據(jù)包,并通過8位或16位總線逐字節(jié)發(fā)送到DM9000A的數(shù)據(jù)發(fā)送緩存中,后將數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等信息填充到DM9000A的相應(yīng)寄存器內(nèi),隨后發(fā)送使能命令,DM9000A將緩存的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)幀信息進(jìn)行MAC組幀,并發(fā)送出去。當(dāng)DM9000A接收到外部網(wǎng)絡(luò)送來(lái)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)時(shí),首先檢測(cè)數(shù)

8、據(jù)幀的合法性,如果幀頭標(biāo)志有誤或存在CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤,則將該幀數(shù)據(jù)丟棄,否則將數(shù)據(jù)幀緩存到內(nèi)部RAM,并通過中斷標(biāo)志位通知處理器,處理器收到中斷后將DM9000A接收RAM的數(shù)據(jù)讀出進(jìn)行處理。DM9000A自動(dòng)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)連接情況,根據(jù)網(wǎng)速設(shè)定內(nèi)部的數(shù)據(jù)收發(fā)速率是10Mbps或100Mbps。同時(shí),DM9000A還能根據(jù)RJ45接口是采用對(duì)等還是交叉連接方式而改變數(shù)據(jù)收發(fā)引腳的方向,因此,無(wú)論外部網(wǎng)線采用對(duì)等還是交叉方式,系統(tǒng)均能正常通信。2.3 基于DSP和DM9000A的網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1DSP和DM9000A的連接:DM9000A可以和大多數(shù)的處理器的局部總線直接相連,例如ARM,MIPS,

9、Intel,TI,Morotola,NEC,Hitachi等。它的設(shè)計(jì)滿足多數(shù)嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建快速因特網(wǎng)的解決方案。DM9OO0A的復(fù)位引腳PWRST與DSP復(fù)位引腳XST#短接,這樣在復(fù)位DSP的同時(shí)也對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制器進(jìn)行復(fù)位。CMD引腳決定傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)還是命令,通過設(shè)置與CMD相接的A2以及片選信號(hào)線(CS和讀寫信號(hào)線(IOR、IOW就可以向DM9000A傳輸命令或者數(shù)據(jù)。DM9000A與控制器的接口電路如圖3所示,各引腳功能如表1所示。 表1 DM9000A接口引腳功能表2DM9000A的配置:EECS、EEDI、EEDO、EECK 用于外接配置存儲(chǔ)器EEPROM93C46。上電時(shí),DM900

10、0A將讀取93C46中存放的初始設(shè)置數(shù)據(jù),包括DM9000A的I/O基址、本地物理地址、中斷請(qǐng)求線選擇、傳輸媒質(zhì)選擇等等。 圖3 DM9000A與控制器的接口電路3數(shù)據(jù)包的收發(fā)傳輸界面:TPTX+、TPTX-和TPRX+、TPRX-分別是DM9000A向網(wǎng)線上傳輸和接收數(shù)據(jù)包引線。變壓器內(nèi)含2組寬帶變壓器對(duì),一組用于輸出耦合,另一組用于輸入耦合。3 軟件設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)首先要對(duì)DM9000A進(jìn)行初始化,包括對(duì)EEPROM,PHY寄存器以及內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置。然后對(duì)開源代碼IP/TCP/UDP協(xié)議棧進(jìn)行裁減和移植,使其適用于本設(shè)計(jì)方案。對(duì)協(xié)議棧的移植必須完成其與硬件系統(tǒng)緊密相關(guān)的系統(tǒng)啟動(dòng),發(fā)送和接

11、收數(shù)據(jù)包以及相應(yīng)的配置文件等。最后編寫相應(yīng)應(yīng)用層程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)所需要的功能。3.1 初始化DM9000ADM9000A啟動(dòng)時(shí)先讀取EEPROM的數(shù)據(jù),對(duì)內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置,所以在啟動(dòng)前必須將要配置的數(shù)據(jù)燒入EEPROM。DM9000A支持串行EEPROM接口,只要通過對(duì)其內(nèi)部的EEPROM&PHY寄存器(REG.0BHREG.0EH操作就可以直接對(duì)EEPROM進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫。本方案采用的芯片93C46是容量為128字節(jié)的EEPROM,按字進(jìn)行讀寫,每字的地址映射到EEPROM&PHY的地址寄存器EPAR (REG.0CH。對(duì)EEPROM的設(shè)置包括配置以太網(wǎng)控制器的節(jié)點(diǎn)地址,廠商l

12、D,產(chǎn)品ID,部分管腳控制和喚醒模式控制。啟動(dòng)初始化操作主要包括以下幾步:1打開PHY; 2對(duì)DM9000A進(jìn)行軟件復(fù)位; 3設(shè)置NCR寄存器;4置位IMR寄存器(REG.FFH的Bit7=1,使能自動(dòng)返回功能指針;5寫六個(gè)字節(jié)的以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)地址到物理地址寄存器PAR(REG.1OHREG.15H;6設(shè)置RX/TX中斷使能位IMR; 7激活NIC開始發(fā)送接收數(shù)據(jù)。完成以上初始化設(shè)置,網(wǎng)絡(luò)控制器就可以正常啟動(dòng),收發(fā)數(shù)據(jù)包。3.2 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊DM9000A的發(fā)送緩沖區(qū)可同時(shí)存儲(chǔ)兩幀數(shù)據(jù),按照先后順序命名為幀I和幀II,DM9000A 上電初始化后,發(fā)送緩存區(qū)的起始地址是00H,當(dāng)前數(shù)據(jù)幀編號(hào)為幀I

13、。兩幀數(shù)據(jù)的狀態(tài)控制字分別記錄在DM9000A的狀態(tài)寄存器03H和04H中。發(fā)送過程如下:首先,DSP利用寫操作寄存器MWCMD(REG.F8向DM9000A的發(fā)送緩存區(qū)中寫入發(fā)送數(shù)據(jù)幀。隨后,DSP將數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度寫入寄存器FCH和FDH。最后,DSP將發(fā)送控制寄存器TCR(REG.02的Bit1置為高電平,向DM9000A發(fā)出發(fā)送數(shù)據(jù)指令。DM9000A自動(dòng)進(jìn)行一些處理才將數(shù)據(jù)發(fā)送至以太網(wǎng),包括:插入報(bào)頭和幀起始分隔符;插入來(lái)自上層協(xié)議的數(shù)據(jù),如果數(shù)據(jù)量小于64字節(jié),則自動(dòng)補(bǔ)齊64字節(jié);根據(jù)目標(biāo)地址、源地址、長(zhǎng)度/類型和數(shù)據(jù)產(chǎn)生CRC校驗(yàn)序列,并插入校驗(yàn)序列位。這些處理都無(wú)需DSP干預(yù)。處理完

14、畢后,DM9000A即開始發(fā)送幀I。在幀I發(fā)送的同時(shí),幀II的數(shù)據(jù)即可寫入發(fā)送緩存區(qū)。如果DSP將中斷屏蔽寄存器IMR(REG.FFBit1置為高電平,那發(fā)送完畢后,DM9000A將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)指示發(fā)送完成的中斷信號(hào)。在發(fā)送過程中,DSP可以查詢寄存器標(biāo)志位寄存器NSR(REG.01H中的TX1END bit2或者TX2END bit3得到數(shù)據(jù)幀的發(fā)送狀態(tài)。寄存器ISR 中的PTS標(biāo)志位是發(fā)送中斷標(biāo)志位,當(dāng)一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢,PTS=0,DSP檢測(cè)到該標(biāo)志后,應(yīng)清除標(biāo)志位以便發(fā)送新的數(shù)據(jù)幀。這里需要注意的是,向FCH、FDH所寫的幀長(zhǎng)度應(yīng)該是包含目的MAC地址段、源MAC地址段和有效數(shù)據(jù)的總長(zhǎng)度。

15、3.3 接收模塊DM9000A中的接收緩存區(qū)是一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu),初始化后的起始地址為0C00H,每幀數(shù)據(jù)都有4字節(jié)長(zhǎng)的首部,然后是有效數(shù)據(jù)和CRC校驗(yàn)序列。首部4字節(jié)依次是01H、狀態(tài)、長(zhǎng)度低字節(jié)和高字節(jié),幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。 圖4 接收幀結(jié)構(gòu)接收過程如下:查看中斷狀態(tài)寄存器。如果接收到新數(shù)據(jù),寄存器ISR的PRS位將被置為0;如果檢測(cè)到PRS=0,清除PRS,DSP開始讀取接收緩存區(qū)數(shù)據(jù)。如果第一個(gè)字節(jié)是01H,說(shuō)明有數(shù)據(jù);如果是00H,則說(shuō)明無(wú)數(shù)據(jù),需要進(jìn)行復(fù)位;根據(jù)獲取的長(zhǎng)度信息,判斷是否讀完一幀。如果讀完,接著讀下一幀,直到遇到首字節(jié)是00H的幀,說(shuō)明接收數(shù)據(jù)已讀完。DSP 可以重新查看中斷

16、狀態(tài)寄存器,等待新的有效數(shù)據(jù)幀。4 結(jié)束語(yǔ)本文對(duì)以太網(wǎng)控制器DM9000A的原理和功能進(jìn)行介紹,實(shí)現(xiàn)了基于DSP+FPGA伺服控制系統(tǒng)的100M以太網(wǎng)接口,使遠(yuǎn)程控制成為可能。該設(shè)計(jì)方案即將被應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)伺服控制系統(tǒng)中。整體系統(tǒng)具有硬件連接簡(jiǎn)單、功耗低、體積小、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。本文創(chuàng)新點(diǎn):本文將業(yè)界體積最小和性能最高的單芯片以太網(wǎng)絡(luò)控制器DM9000A與功能強(qiáng)大的TMS320F2812相結(jié)合,使嵌入式以太網(wǎng)變得更快、更便宜,也更容易進(jìn)行功能擴(kuò)充,更好的解決了DSP與DSP、DSP與PC及其他處理器之間的準(zhǔn)確、高速地通信問題。參考文獻(xiàn):1DM9000A Ethernet Controller with General Processor Interface DATA SHEET.2DM9000A 16/8 Bit Ethernet Controller with General Processor Interface Application Note.3楊鵬,趙琦,孔鑫,陳玲玲.工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展及其技術(shù)特點(diǎn)J.微計(jì)算機(jī)信息,2006, 2-1:32-33.4蘇耀峰,王德剛,魏急波.DM9000A原理及其與基帶信號(hào)處理平臺(tái)的結(jié)合應(yīng)用.國(guó)外電子元器件,2007,4.