基于DSP的嵌入式系统网络通信技术应用

摘 要：在嵌入式系统中接入以太网包含了PC机+以太网+嵌入式设备的集中式方案、嵌入式系统+以太网控制模块的分布式方案、RTOS+嵌入式系统微控制器方案、虚拟软件包+嵌入式微控制器方案、EMIT协议和MCU+emgateway协议方案5种。文章使用的DSP芯片为TMS320F2812，选择93C46以太网适配器，RTL8019AS作为以太网控制器芯片，将DSP芯片与以太网连接后，使用TCP/IP协议栈，从而完成了硬件系统的连接。之后进行软件程序的设计，对DSP芯片和以太网控制芯片驱动数据执行初始化，设计好中断服务程序，以配合数据接收程序的运行，通过数据接收程序读取网卡内部缓存帧，并最终存储到内存中，再由数据发送程序将数据包发送到以太网中，从而完成了DSP与远程PC机的网络通信。

关键词：DSP嵌入式系统；DSP芯片；以太网适配器；以太网控制器芯片

嵌入式系统是一种以控制、监控或辅助各种操作机器与设备为目的的装置，是运用计算机技术，围绕应用需求，对软件硬件进行相应裁剪，使功能、成本、体积、功耗以及可靠性等都能适应相应要求的专用计算机系统。传统的基于数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）的嵌入式系统，主要是由DSP和微控制单元（Micro Control Unit，MCU）共同组成的[1]。MCU是一种主处理器，能够发挥控制功能，进而完成系统内外的网络传输，DSP则是一种协处理器，主要用以计算各类密集数值。随着工控技术的发展，这些功能都能够整合到一个单片处理器中，DSP芯片执行数据处理功能，再运用网络完成传输，成为一种更有适应性的应用工艺。将DSP嵌入式系统与以太网技术结合后，就能够将数字化和网络化相结合，从而提升DSP系统的应用价值。

1 嵌入式系统与以太网的连接方案

1.1 集中式

集中式嵌入是由一台PC机前段接入以太网，后端通过USB，CAN，RS-485，RS-232等接口连接嵌入式设备。网关上以TCP/IP协议栈为主，也可接入RS-485和RS-232等总线协议，从而使以太网能够连接各个不同的子网和嵌入式设备，并进行通信。这一方案对于存储器大小与设备运行速度要求不高，接口程序软件设计数量也较少，软件设计工作量低。但该方案需要通过计算机转化网关协议，在嵌入式设备的分布范围较大时，网络通信而终会面临较大的难度，同时计算机上需要有专用的协议转换程序，而此程序软件购自专门的开发商手中，成本较高。

1.2 分布式

分布式通信是在嵌入式系统中接入以太网控制模块，使嵌入式设备能够和以太网直接连接。要实现这种通信模式，可以通过3种方式：（1）实时操作系统（Real Time Operating System，RTOS）与TCP/IP协议栈结合，在嵌入式微处理器中运行以太网控制模块，这种方式运行灵活、功能强大，但要求有极高的嵌入式微处理器性能，其中RTOS能够满足这一要求，但由于价格较高，因此导致连接成本高。（2）MCU与裁减TCP/IP协议栈相连接。在嵌入式微处理器中直接连接TCP/IP协议栈，通过轮询和终端的方式控制外部设备，不需要再使用RTOS系统，因此能够降低成本。（3）MCU与TCP/IP硬件芯片相结合的方式。将搭载了TCP/IP协议栈的以太网控制芯片作为MCU的外围设备，进行连接，对MCU性能要求较低，但较难完成MCU和TCP/IP控制芯片之间的网络通信。

1.3 RTOS和嵌入式系统微控制器相结合

使用RTOS-32作为高档单片机系统的开发设计软件，处理嵌入式系统执行TCP/IP协议的问题，WindowsCE與Linux是两种使用较多的系统。这一方案需要以高档单片机作为基础，成本较高，开发周期也较长，且RTOS开发软件和TCP/IP协议之间的针对性较差，会造成代码冗余。

1.4 虚拟软件包与嵌入式微控制器相结合

这种方案是将MCU和TCP/IP协议栈固定到嵌入式系统中，系统就能够直接连接以太网，不需要复杂的硬件电路，但需要较大容量的存储器，当TCP/IP协议栈虚拟软件包为固化模式时，还需要MCU有足够快的运行速度。这一方案也是单片机系统与以太网直接连接的一种模式，计算机接入互联网后就直接控制单片机系统，单片机系统能够直接利用互联网直接发送数据信息到计算机上，从而实现远程交互。

1.5 EMIT协议、MCU与emgateway协议相结合

通过以太网的EMIT协议、MCU的emnet协议相结合，最后由emateway协议连接以太网，使嵌入式系统连接到以太网中。emgateway软件应用广泛，并且能够支持TCP/IP协议，各种嵌入式设备中所搭载的程序都能够独立提供网络通信服务，并准确识别emgateway中的通信指令，使嵌入式系统能够准确高度设备的各种变量，并控制部分操作。

2 基于DSP嵌入式系统的网络通信技术的硬件设计

嵌入式系统在接入以太网时，首要问题在于接口问题，选择合适的网络适配器是首要任务。以DSP芯片作为嵌入式系统，通过RTL8019以太网控制器接入到以太网中[2]。

2.1 硬件设计总体方案

DSP芯片选择TMS320F2812，该芯片中包含了四大模块，分别为：主CPU模块、以太网通信接口模块、信号采集模块以及人机接口模块。主CPU负责运算与处理AD转换后的外部设备信号；信号采集模块则负责过滤并处理外部设备的数据信号，并利用AD转换信号，再传送到CPU模块；以太网通信接口模块则负责传送CPU处理过的数据信号至上机位，再将上位机传送过来的反馈信号或者人机接口指令传输到CPU模块；人机接口模块则负责实时显示、查询或修正数据。系统中包含了RJ45接口、RS-232接口、音频输入接口以及联合测试工作组（Joint Test Action Group，JTAG）接口，有丰富的基础功能。

音頻信号采集电路由前置放大滤波、媒体接口连接器（Media Interface Connector，MIC）音频输入及抗混叠被3部分电路组成，DSP芯片中的AD收集通道负责输入音频信号，并通过DSP信号采集模块分析频谱并储存分析数据。

以太网适配器选择93C46，以太网通信接口模块包含了RJ45接口、RTL8019AS控制器芯片、以太网适配器和信道隔离滤波器4个部分。适配器设置8位数据总线，能够储存嵌入式系统中的各类IP地址、物理地址以及子网掩码等信息。

2.2 以太网芯片

以太网芯片使用RTL8019AS。该芯片有24位地址接口，还包含了16位数据接口，能够执行以太网媒介访问层（Media Access Control，MAC）与物理层（Physical Layer，PHY）的全部功能，能够满足Ethernet II、10Bases、IEEE 802.3等多个标准，能够在物理帧上实现检验和、帧头以及帧起始定界符的功能，可以支持8位、16位两种数据总线，最高速度可达10 MBPs，其睡眠模式能够显著降低功耗优势。控制器内部加载了16 K静态随机存取存储器（Static Random Access Memory，SRAM），能够实现缓冲收发，降低了对处理器的速率要求，可以连接到同轴电缆与双绞线两种电缆上，自动识别连接介质。

3 基于DSP嵌入式系统的网络通信技术的软件设计

3.1 初始化数据

接收传送数据前，要先检查RTL8019AS以太网芯片，并完成数据的初始化，使芯片能够维持相应的工作模式。初始化工作主要是包含网卡物理地址的设置、缓冲区数据起始与结束页地址的接收、中断屏蔽寄存器、配置数据寄存器、接收与发送配置寄存器以及页边界指针寄存器BNRY等。

3.2 中断服务程序设计

中断服务程序关系到数据接收程序的运行，两者互相配合才能有效运行。以太网控制芯片接收到网络数据首帧数据包后，就会自动进行循环冗余码校验（Cyclic Redundancy Check，CRC），加快了中端程序处理速率。网卡成功接收到一帧完整的数据后，接收计数器加1，并向DSP系统发出中断请求[3]。DSP在收到请求后，就会进入中断服务程序，并接收网卡传送过来的数据包。DSP出现错误时，就会丢失已经接收到的数据包，并且使中断请求无法发送至DSP。

3.3 数据接收程序设计

主程序检查网卡时，当接收计数器显示非0时，就会将数据接收程序调用至网卡内部缓存中，并开始读取数据，数据传送到主机后，主机就会开始处理数据。帧的接收包含了两个环节，首先需要运用本地直接存储器存取（Direct Memory Access，DMA），将帧放到接收缓存中，并由DMA从内在中读取缓存数据，接收网络信道中的数据帧，同时由缓存接收网卡缓存，通过数据接收程序读取缓存帧，最终存储到内存中。

3.4 数据发送程序设计

网卡需要在发送状态处于空闲时进行，发送程序中的主循环包含了多个循环，每个循环可以多发送一个数据包，从而完成数据的发送，进而提高了程序发送效率。在传送数据包时，首先要进行封装，之后由DMA将数据包发送至网卡，并储存在缓冲区中，再由网卡中的DMA将数据发送至先入先出（First In First Out，FIFO）存储器，再将数据发送到以太网中。

4 结语

在嵌入式系统中接入以太网有多个不同的方案，在选择方案时，要结合成本、传输速率要求、数据包大小等因素选择，以TMS320F2812DSP芯片为基础，选择93C46以太网适配器，将RTL8019AS作为以太网控制器芯片，在主程序的控制下，通过初始化、中断服务程序、数据接收与发送程序的运行，就能够完成数据网络通信工作。

[参考文献]

[1]郑珩.基于以太网接入嵌入式系统的DSP设计[J].信息安全与技术，2015（8）：45-47.

[2]顾六平.嵌入式系统以太网接入中DSP的设计与实现[J].电子测试，2013（5s）：64-65.

[3]刘一萱.基于DSP嵌入式系统网络通信技术应用[J].科学与财富，2017（15）：133.

Abstract：In the embedded system to access Ethernet includes five kinds of solutions， namely centralized solutions of PC + Ethernet + embedded devices， distributed solutions of embedded systems + Ethernet control module， microcontroller solutions of RTOS + embedded system， microcontroller solutions of Virtual Packages + Embedded， EMIT protocols and MCU + emgateway protocols. This article chooses TMS320F2812 DSP chip， 93C46 Ethernet adapter and RTL8019AS Ethernet controller chip， after connecting the DSP chip with Ethernet， the TCP / IP protocol stack is used to complete the hardware system connection. After this， the article carries on the software program design， carries on the initialization to the DSP chip and the Ethernet control chip driver data， designs the interrupt service program to cooperate with the data receiving program operation， through the data receiving procedure reads the network card internal cache frame， and eventually the data is stored in memory， and then the data sending program sends the data packet to the Ethernet to complete the network communication between the DSP and the remote PC.

Key words：DSP embedded system； DSP chip； Ethernet adapter； Ethernet controller chip

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