基于DS80C400的嵌入式智能网桥的设计-设计应用

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网桥将两个相似的网络连接起来，并对网络数据的流通进行管理。它工作于数据链路层，不但能扩展网络的距离或范围，而且可提高网络的性能、可靠性和安全性。网络1和网络2通过网桥连接后，网桥接收网络1发送的数据包，检查数据包中的地址，如果地址属于网络1,它就将其放弃，相反，如果是网络2的地址，它就继续发送给网络2.这样可利用网桥隔离信息，将同一个网络号划分成多个网段（属于同一个网络号），隔离出安全网段，防止其他网段内的用户非法访问。由于网络的分段，各网段相对独立（属于同一个网络号），一个网段的故障不会影响到另一个网段的运行。

目前，各类智能网桥设计方案基本都是CPU+MAC+PHY+RTOS+TCP/IPSTACK的方式，如：PCGateway+专用网、32位MCU+RTOS、8位或16位单片机+网络协议包，它们在实时性、可靠性、开发周期、实现难度、价格、开放性和通信效率等方面各有千秋。

PCGateway+专用网：该方案采用专用网络（如RS232、RS485、CANBUS等）可以连接多种单片机系统。网关（Gateway）又称网间连接器、协议转换器。网关在传输层上以实现网络互连，是复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关的结构也和路由器类似，不同的是互连层。网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。网关是一种充当转换重任的计算机系统或设备。在使用不同的通信协议、数据格式或语言，甚至体系结构完全不同的两种系统之间，网关是一个翻译器。与网桥只是简单地传达信息不同，网关对收到的信息要重新打包，以适应目的系统的需求。同时，网关也可以提供过滤和安全功能。大多数网关运行在OSI7层协议的顶层--应用层。

32位MCU+RTOS:采用32位的高性能嵌入式处理器，在RTOS（实时多任务操作系统）平台上进行软件开发，该方案可以完成很多复杂的功能。但这种方案存在如下缺点：高性能嵌入式处理器价格较贵，开发周期长；需要购买昂贵的RTOS软件，对开发人员的开发能力要求较高。

8位或16位单片机+网络协议包：该方案有如下优点：不依赖PC机或高性能嵌入式处理器，真正实现8位或16位单片机系统直接接入网络，整个系统完全自给自足；使用外围器件少，系统成本低。但是这种方法在实现过程中也存在一些问题，如8位或16位单片机的资源相对较少，提供的功能有限。随着科技的发展，一些高速度的单片机（如DS80C400）己能基本满足通常的嵌入式产品对处理性能的要求，采用软件来实现各种协议处理，便于将来在不改变硬件的情况下，只需改变内置程序即可升级整个嵌入式系统的功能。本文提出以

DS80C400为处理器的CAN总线网络与以太网网互连的一种方案，实现了多路CAN总线网与以太网数据互联。

1总体设计

智能（CAN-ETHERNET）网桥作为以太网和现场总线网络数据传输交换的枢纽，完成从CAN到以太网或是从以太网到CAN网络数据的转发功能。同时，智能网桥还是一个Web服务器，WebServer将参数显示和监控等功能均通过网页的统一界面呈现给用户。客户机不需运行专用的监控软件，只需运行通用的浏览器来调用分散在各个受控设备中的嵌入式WebServer上的监控参数显示页面，就能达到监控设备的目的。

系统硬件结构框图如图1所示：

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2DS80C400以太网控制模块

DS80C400网络微控制器是目前集成度的8051器件。集成外设包括10/100以太网MAC,三个串行端口，一个CAN2.0B控制器，1-Wire?主机和64个I/O引脚。为了便于访问网络，在ROM中提供了一个完整的、可被应用访问的TCPIPv4/6网络栈和OS.网栈支持多32个并发的TCP连接，并且能够通过以太网MAC提供高达5Mbps的吞吐率。达75MHz的系统时钟频率使短指令周期仅有54ns.24位寻址方式简化了对于大容量程序或数据存储器的访问，支持高达16MB的连续存储空间。

缓冲区控制单元（BCU）：缓冲区控制单元（BCU）是DS80C400的以太网接口的中心控制单元。BCU通过一系列的SFR调节CPU,控制以太网模块的读/写活动。

CSR=ControlandStatusRegister常见的有"指令指针寄存器","标志寄存器","机器状态字","程序计数器"等等，各种处理器/微机上的叫法有点差别，而且控制的功能也不一定相同，但都是用于控制处理器的操作。大多数这类寄存器对用户是不可见的。

命令状态寄存器（CSR）：CSR寄存器本质上是定义以太网控制器的操作特性。CSR寄存器包括下面几项：

MAC物理地址：发送，接受和流控制设置；地址检查模块使用的组播哈希表；地址检查模块需要的过滤模式和好/坏帧控制；VLAN标签标识符；唤醒帧过滤器；串行的MII物理设备管理总线的寄存器界面。

MediumAccessControl介质访问控制层，属于OSI模型中数据链路层下层子层--物理层。它定义了数据帧怎样在介质上进行传输。在共享同一个带宽的链路中，对连接介质的访问是"先来先服务"的。物理寻址在此处被定义，逻辑拓扑（信号通过物理拓扑的路径）也在此处被定义。线路控制、出错通知（不纠正）、帧的传递顺序和可选择的流量控制也在这一子层实现。

MII管理模块：MII管理模块允许主机从32个寄存器中的任意一个读取状态信息。MII管理模块通过2线的串行接口和外部物理设备进行通信。

MIII/O模块：MII1/0模块支持所有的在DS80C400的MAC和外部物理设备之间的数据发送和接收，同时监控由PHY提供的网络状态信号。

地址检查模块：以太网控制器的地址检查模块监控所有到来包的目的地址，然后决定是地址是否能够通过由CPU设置的过滤标准。决定帧是广播还是组播的地址过滤的结果和位由BCU通过包的接收状态给CPU.

接收/发送缓冲存储：DS80C400以太网控制器使用8KB的内部SRAM作为发送/接收包缓冲区。CPU可以使用MO指令对这个SRAM进行读/写访问。

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电源管理模块：DS80C400以太网控制器包含了一个电源管理模块，它可以使以太网控制器通过CPU进入休眠模式，这样当没有以太网通信要处理时以便节约能源。

以太网是Xerox公司发明的基带LAN标准。它采用带冲突检测的载波监听多路访问协议（CSMA/CD），速率为10Mbps,传输介质为同轴电缆。以太网是在20世纪70年代为解决网络中零散的和偶然的堵塞而开发的，而IEEE802.3标准是在初的以太网技术基础上于1980年开发成功的。现在，以太网一词泛指所有采用CSMA/CD协议的局域网。以太网2.0版由数字设备公司、Intel公司和Xerox公司联合开发，它与IEEE802.3兼容。

3系统硬件设计

本系统以DS80C400为处理器，采用PCA82C250为CAN总线收发器，用SJA1000作总线控制器，以太网交换电路主要是采用五口交换芯片RTL8305SB来实现，用100BASE_FX光纤收发器完成以太网物理层数据传输。以下着重介绍DS80C400MII模块与外部物理设备之间的连接。

DS80C400MII管理模块通过2线串行接口与外部物理设备相连，MDC提供串行时钟信号，MDIO则作为I/O口与外设进行通信。MIII/O模块支持DS80C400MAC与外部物理设备之间的发送与接收数据传输，并且通过外设提供的信号监控网络的状态。发送接口由TXCLK,TX_EN,TXD[3:0]组成，其中，TXCLK是由外设提供的发送时钟，对于10MBPS操作，TXCLK应当运行在2.5MHZ,而100MBPS,TXCLK应至少运行在25MHZ.TXD[3:0]四位数据总线发送帻到外设。接收接口由RXCLK、RX_DV、RX_ER、RXD[3:0]组成，其中，RXCLK是由外设提供的接收时钟，其时钟要求与发送接口类同。RXD[3:0]四位数据总线接收从外设发送来的帧。RX_DV=1表示接收有效，RX_ER指出接收错误。MII也能通过外设提供的CRS、COL信号监控网络状态。

DS80C400MII与外部物理设备连接如图3所示：

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4系统软件设计

系统软件设计是整个设计中为重要部分之一，利用DS80C400进行嵌入式系统开发并不像标准8051单片机开发那样简单，在除了KEILC软件环境外，它还需要特定的软件开发平台，DS80C400内部强大的ROM功能，使得系统软件的开发周期短，系统功能强大。

4.1DS80C400软件开发平台

DALLAS公司为DS80C400提供了两种串行加载工具，MTK和JAVAKIT.其中MTK简洁好用，但是目前MTK仅仅支持WINDOWS平台。JAVAKIT是一款基于JAVA的图形界面程序。JAVAKIT的运行需要以下几个附加软件同时运行：JAVADevelopmentEnvironment;JavaCommunicationsAPI;TINISoftwareDevelopmentKitAVAKIT可以应用于WINDOWS,LINUX以及MACOSX平台，但是JAVAKIT的配置虽然比较烦锁。

在PC机的命令行界面正确配置JAVAKIT需注意如下命令配置：

（1）setpath=%path%;X:jdkbin;

（2）setclasspath=X:jdklibcomm.jar;

（3）setclasspath=X:tinibintini.jar;%classpath%

4.2系统实现

DS80C400内部ROM嵌入的TINIOS使各个任务相互独立且具有不同的优先级来保证紧急任务及时响应，从而有效地实现任务调度。内部嵌入的工业标准SOCKET套接字方便了网络系统的开发。

系统软件框架如图4所示：

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（1）任务划分

本系统根据各个任务的重要性，把整个模块分成以下几个不同优先级的应用任务，即系统监控、CAN数据发送、以太网数据发送、协议转换、LED显示、系统配置。

（2）任务实现

任务划分以后，各任务便具有独立的堆栈空间，彼此争夺CPU的使用权。一旦获得CPU使用权，就会独立运行。完成特定的功能。

（3）任务的同步与调度

DS80C400内嵌的任务调度程序有其独到之处，用户可以直接利用系统的接口函数编写应用程序，不需要另行开发。基于DS80C400的CAN-ETHERNET智能网桥在实验调试过程中，运行状况良好，工作稳定。

5结束语

利用DS80C400微控制器作嵌入式系统开发，可以方便地开发网络应用系统，大大提高开发效率，这是其它8051单片机所不能比拟的。将DS80C400用于嵌入式系统开发有十分广阔的前景，对推动嵌入式系统在国内的应用有十分重要的意义。

参考文献:

[1].RS232datasheet/datasheet/RS232_585128.html.[2].RS485datasheet/datasheet/RS485_585289.html.[3].DS80C400datasheet/datasheet/DS80C40