高效串口转以太网适配器设计

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　　集成

　　图1详解了一个典型的分层软件架构。应用软件工作在操作系统(FreeRTOS)下，它处理以太网协议栈(LwIP)和微控制器外设(见下表)。硬件包括飞思卡尔的32位MCF51CN128微控制器，所需外部元件极少。

　　在商用串口转以太网桥应用中，FreeRTOS开源软件提供了足够的功能。它处理信号、多路复用、中断、RAM管理、抢占式任务、栈空间和任务优先级等工作。FreeRTOS得到广泛支持，这款嵌入式微控制器业界的知名软件已在至少19种架构中得到应用。代码精炼是其一个关键优势。

　　所选的开源TCP/IP协议栈处理所有以太网事务。因其平衡了功能性和低RAM /闪存需求，所以在串口转以太网桥应用中受到极力推荐。在编译时，LwIP占用12.15kb的RAM来启动串口桥所需的所有TCP/IP服务。

　　在运行时，堆栈分配并释放一些缓冲区，并从堆栈中获取所需的RAM。它使用非常有限的一组网络缓冲区发送和接收来自应用更高层的信息。支持的协议包括TCP/IP、ICMP、UDP、专门的RAW API(用于该串口桥)、可选的插孔API、DHCP、PPP以及ARP等。

　　32位微控制器MCF51CN128包含128kb闪存和24kb SRAM。其片上存储器足够运行串口转以太网桥应用以及操作系统和以太网栈。

　　MCF51CN128工作在50MHz最高频率提供所需功能。它集成了一个快速以太网控制器(FEC)和诸如UART(SCI)、SPI和I2C等串行接口。其余的通用I/O(GPIO)引脚支持驱动面向状态验证的LED等其它工作。该芯片适合这一应用并具有低BOM成本。

　　串口转以太网桥实现

　　为简单的串口转以太网桥研制了一个参考设计作为交钥匙方案，它具有Web服务器、FTP服务、电子邮件客户端、SD-CARD支持及其它吸引人的特性。为简化设计并能最大限度地在不同产品设计中复用该设计布局，可将该系统分为两个主要硬件模块：最小系统和演示系统(图2)。

　　最小系统包括实现以太网功能所需的所有硬件。这个最小的硬件模块只有1.15×1.55英寸大。通过提供一个未稳压的3.7到5.5V电源，这款以太网功能的最小实现不再需要其它器件。

　　演示系统则带有uSD卡插座、按钮和LED等其它功能。顶层和底层分别可见用于隔离这两个系统的零欧姆电阻(图3)。断开零欧姆电阻就把演示系统和最小系统隔离开来。

　　对于这个具体实现来说，以太网接口通过以太网电缆中两对空闲电缆对参考设计板供电。请注意，这不是以太网供电(PoE)标准。UART引脚(+5.5 V)、电源插座连接器以及经过稳压的3.3V电源接口也可供电并支持特定的系统功能(图2)。利用PCB上的削切线(cut-trace)可实现所有这些选项。

　　该串口桥可通过一组命令工作在配置模式，其中UART(SCI)或SPI用于配置功能。在配置模式，可改变MAC、IP、掩膜、网关和服务器地址等各种选项。

　　可以指定是使用静态还是动态地址，而诸如连接哪个端口以及客户机/服务器实现地址等TCP参数也是可配置的。可修改的UART参数包括端口、波特率、奇偶校验、位数、停止位和流量控制(硬件或软件)。最后，可对SPI进行端口、波特率、极性、相位、主/从和轮询/中断处理等配置。

　　当该参考设计工作在桥模式，串口收到的字符被发送到以太网，反之亦然。串口转以太网桥工作在两个接口之间，其目的是在这两个接口间提供高速数据传输。

　　连接串口与以太网

　　快速以太网控制器(FEC)是飞思卡尔的MAC实现。FEC在缓冲区描述符表中存储RX和TX数据包。缓冲区描述符包括大多缓冲区描述符状态和控制标志、接收或发送数据的缓冲区长度以及与接收或传送操作相关的缓冲区指针。

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