基于AVR高性能单片机的以太网接口设计

0 引 言
    随着互联网的迅速发展，各种家电设备、仪器仪表也在逐步走向网络化，以便共享网络信息资源、远程监控等，这也是嵌入式系统发展的趋势。而以太网作为目前应用最为广泛的局域网，在工业自动化和过程控制领域得到了越来越多的应用，因此，对于大量存在的8位微控制器而言，实现以太网通信具有重要的实际意义。现在应用较多的是基于51内核单片机的上网方案，由于处理能力的限制，要实现较复杂的网络传输和控制有点困难。本系统采用ATMEL公司的高性能单片机Mega64和10 Mb／s以太网控制芯片RTL8019AS实现了以太网接口，详细介绍了硬件电路的连接以及嵌入 式TCP／IP的实现，使单片机具有了互联网络的接入功能。

1 硬件电路设计
1．1 主要器件选择
    微控制器选用高性能的AVR单片机Mega64，AVR是ATMEL公司结合了成熟的51系列和PIC系列单片机的优点而推出的高性能8位单片机，具有性价比高、资源丰富、速度快、功耗低、开发方便等特点。Mega64采用RISC结构，工作频率可达16 MHz，完全满足运行多种网络协议的要求，片内具有4 KB的SRAM，64 KB的FLASH，以太网最大数据包为1 514 B，4 KB的RAM足够以太网帧的存储，64 KB的FLASH对于适当的程序以及简单的Web Page来说也是可以的，所以无需再外扩资源，大大简化了外围电路，提高了可靠性。
    以太网控制芯片选用的是台湾REALTEK公司生产的RTL8019AS，该芯片集成了介质访问控制子层(MAC)和物理层的性能，可以方便地设计基于ISA总线的系统。另外，它还具有与NE2000兼容、软件移植性好、与单片机接口简单、价格低货源好等优点，其主要
功能特性如下：
    (1)符合EthernetⅡ与IEEE802．3(10Base5，10Base2，10BaseT)标准。
    (2)软件和8位及16位插槽的NE2000兼容。
    (3)全双工，收发可同时达到10 Mb／s的速率。
    (4)内置16 KB的SRAM，用于收发缓存，降低对主处理器的速度要求。
    (5)支持8／16位数据总线，8条中断申请线以及16个I／0基地址选择。
    (6)支持UTP，AUI，BNC自动检测以及对10BaseT拓扑结构的自动极性修正。
    (7)允许4个诊断LED引脚可编程输出。
1．2 RTL8019AS与单片机的连接
    RTL8019AS支持三种工作方式：第一种为跳线方式，网络控制器的I／O地址和中断都由跳线决定；第二种为免跳线方式，I／O地址和中断由外接的E2PROM 93C46里的内容所决定；第三种为即插即用方式(PNP)，I／O地址和中断都由软件或操作系统自动进行管理和配置，用户不必过多干预，当然这种方式要耗费系统资源。网络控制器采用哪种方式由RTL8019AS的65脚(JP)决定，本系统采用第一种即跳线方式，这时JP要接高电平；第三种方式一般用于PC机中，对于8位单片机来说无法实现，未用第二种方式又可以省掉一片93C46芯片，不但简化了硬件电路设计，而且降低了成本。
    RTL8019AS有两种复位方式：冷复位和热复位。给8019的复位引脚施加一个1μs以上的高电平就可以实现冷复位；先读再写8019的任意一个复位端口都可以实现热复位，这在PC机中用的较多。可以将8019的复位引脚和单片机的复位引脚相连，单片机复位的时候8019也复位，这种情况可以减少单片机的一个引脚的使用，但为了保证能够完全复位，可以在程序中进行热复位。然而Mega64为低电平复位，而8019为高电平复位，如果这样连接的话还需要加一个非门进行反相，鉴于Mega64的引脚较多，所以将8019的复位引脚连接到Mega64的一个I／O口上，由该引脚对8019进行冷复位。
    图1所示为RTL8019AS的部分电路图，其工作时钟为20 MHz。RTL8019AS的引脚悬空时，输入状态为低电平，因为芯片引脚内部已经接了一个100 kΩ的下拉电阻。AEN引脚为I／O端口操作允许使能脚，接地使地址一直处于有效；IOCSl6B引脚用一个27 kΩ的电阻下拉到地，复位时刻为低电平，选择8位总线模式；读写引脚IORB、IOWB分别与单片机的RD，WR引脚相连；8位数据总线SD0～sD7接到单片机的PA口；IOSO～IOS3为I／O基地址选择引脚，悬空设置为300H，所以SA5～SA7，SAl0～SAl9接地，SA8和SA9接高电平，真正用到的地址线只有SA0～SA4，接到单片机的地址线上；IRQS0～IRQS2为中断选择引脚，悬空选择中断INT0，实际上并没有使用中断，而是使用了查询方式；AUI引脚用于AUI接口外部MAU检测，决定使用AUI还是BNC接口，BNC接口方式支持8线双绞或同轴电缆，所以将该引脚悬空选择使用RJ45接口；SMEMRB和SMEMWB为存储器读写引脚，由于我们使用的是I／O模式读写网络芯片，所以将它们接高电平；TPIN和TPOUT为差分输入输出引脚，分别用来接收来自双绞线和向双绞线发送10 Mb／s的差分曼彻斯特编码信号，RTL8019AS需要经过隔离处理才能和RJ45接口相连，然后接入以太网，隔离低通滤波器选用的是20F001N，内部有两个传输变压器，用来传输信号以及抑制噪声干扰。