摘 要： 為了實時采集基于DSP的電力電子變換電路控制器的運行數據，通過ARM芯片及以太網PHY控制器芯片提供一種以太網通信解決方法。采用DSP中的SPI串行接口與ARM中的SPI進行數據交換，利用ARM中帶有的EMAC控制器以及以太網控制芯片DP83848設計出以太網控制器，實現以太網通信。考慮到系統簡化及數據速率問題，在通信協議方面采用UDP協議，采用LabVIEW設計以太網上位機界面。
關鍵詞： DSP；ARM；DP83848；LabVIEW；以太網通信
隨著以太網技術在工業控制領域的迅速發展、性能的不斷提高和成本的迅速降低，使其在新一代工業自動化網絡中廣泛應用。在采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812作為電力電子變換電路控制器核心時，為了監控控制器的運行狀況，可以采用串口通信。這種方式結構簡單，但滿足不了速度、精度以及通信距離的要求。將帶有EMAC控制器的ARM處理器（LPC1768）與DP83848組成以太網控制器構成一個通信轉接器，ARM與DSP通過SPI通信，以太網接口與上位機通信，則能滿足實時、高精度監控的需要。
1 以太網控制器的主要特點
以太網控制器DP83848是TI推出的一款48個引腳的以太網控制器，可為嵌入式應用提供低引腳數、低成本且高效、低功耗的以太網解決方案。利用DP83848可以實現高速外圍器件的設計以及工業自動化網絡的控制。其主要特點有以下幾個方面。
（1）3.3 V供電的低功耗設計（典型值小于270 mW），0.18 μm的CMOS技術。
（2）3.3 V的MAC接口。
（3）支持10BASE-T和100BASE-TX的以太網格式。
（4）完全兼容IEEE802.3標準。
（5）可編程的LED連接，10/100 Mb/s的模式選擇以及沖突檢測。
（6）同時具有SNI、MII和RMII接口。
系統框圖如圖1所示。
2 硬件系統的設計
對于以太網控制器的設計，不但要考慮系統所具備的功能，也要考慮價格、體積等因素。這里采用ARM處理器LPC1768作為以太網的主控芯片。其采用低功耗設計，供電電壓為3.3 V；主頻可達100 MHz；哈佛總線結構；支持JTAG調試；片內有512 KB Flash存儲器，64 KB數據存儲器；采用100引腳的LQFP封裝格式。LPC1768與DP83848的硬件連接示意圖如圖2所示。
以太網控制器工作在RMII模式下，由參考時鐘REF_CLK、發送使能TX_EN、發送數據TXD[0：1]、接收數據RXD[0：1]、接收錯誤RX_ER及載波偵聽/接收數據有效CRS組成。關鍵引腳描述如下。
（1）參考時鐘REF_CLK
REF_CLK是一個連續時鐘，可以為時鐘提供時序參考。REF_CLK由MAC層或外部時鐘源提供。在RMII模式下，數據以50 MHz的時鐘頻率一次傳送2 bit。因此，RMII模式需要一個50 MHz有源振蕩器連接到X1腳。
（2）發送使能TX_EN
TX_EN表示MAC層正在將要傳輸的雙位數據放到TXD[1：0]上。TX_EN應被前導符的首個半字節同步確認，且在所有待傳雙位信號載入過程中都保持確認。跟隨一幀數據的末2位之后的首個REF_CLK上升沿之前，MAC需對TX_EN取反。TX_EN的變化相對于REF_CLK是同步的。
（3）發送數據TXD[1：0]
RMII發送時序圖如圖3所示。
（4）接收數據RXD[0：1]
RXD[0：1]轉換是與REF_CLK同步的。在CRS_DV有效后的每個時鐘周期里，RXD[1：0]接收DP83848C的2 bit恢復數據。在某些情況下（如數據恢復前或發生錯誤），則接收到的是RXD[0：1]的預確定值而不是恢 復數據。CRS_DV解除確認后，RXD[0：1]為“00”，表示進入空閑狀態。CRS_DV確認后，在產生正確的接收解碼之前，DP83848C將保證RXD[0：1]=“00”。
3 系統通信協議的分析與選擇
（1）鏈路層協議的選擇
鏈路層最基本的功能是向該層用戶提供透明、可靠的數據傳送基本服務，為了使鏈路層對網絡層進行無差錯的傳輸，鏈路層加強物理層傳輸的原始比特流，使之形成在邏輯上沒有錯誤的數據鏈路。在以太網傳輸數據時需識別地址，因此采用MAC地址進行標識，所以只有存在地址解析（ARP）協議，才能實現IP地址到MAC地址的轉換功能。
（2）網絡層協議的選擇
網絡層的基本功能是當數據包在網絡中活動時，處理其活動的方法。IP協議是最核心的協議，它負責系統與Internet進行通信。IP層有兩個功能：對IP報文報頭進行正確性分析，并對TCP和ICMP報文實行分流。使用Ping協議檢測網絡是否連通。
（3）傳輸層協議的選擇
傳輸層協議主要在主機和單片機端到端的通信。傳輸層有兩種不相同的傳輸協議：傳輸層控制協議（TCP）和用戶數據報協議（UDP）。考慮到系統簡化和速度的要求，采用UDP協議。
4 系統軟件設計
軟件設計分為以太網通信的實現以及DSP和ARM的SPI通信兩個部分。
4.1 以太網通信的實現
以太網控制器DP83848對以太網鏈路層進行控制，LPC1768則完成其他層的協議調節，以太網控制器由LPC1768控制，完成整個以太網通信傳輸。在實現通信時，首先控制DP83848復位，并初始化芯片中的寄存器。當滿足發送和接收條件時，系統開始發送和接收數據。當滿足以下條件時，以太網控制器向LPC1768申請中斷，即一幀數據發送結束、接收到一幀數據或出錯等事件發生。主控制器中斷后，事件根據中斷狀態寄存器的內容進行分類處理。通信數據打包解包的完成由LPC1768內部程序進行處理，系統復位后，程序首先發送地址解析協議（ARP）請求，建立地址映射，并且內部中斷進行定時更新。LPC1768按照UDP協議格式打包，送入DP83848，由此芯片控制數據鏈路層將數據輸出到局域網中。反之，當有數據從局域網過來時，DP83848產生外部中斷，主控芯片可以對此作出相應處理。發送流程程序框圖如圖4所示，接收流程框圖如圖5所示。
DSP將采集的數據通過SPI方式發送給ARM，存儲在ARM中的一個接收緩沖區中。當數據接收完畢，啟動以太網通信，將數據通過網絡發送給PC端，進行數據的分析。
5 上位機軟件的設計
在上位機設計中，本設計采用LabVIEW進行軟件設計，系統要求4通道顯示數據。當數據傳送至上位機，LabVIEW程序利用其強大的數據處理能力將數據分解，并利用其方便快捷的圖形顯示界面取出4組數據進行顯示。LabVIEW編寫的上位機程序如圖8所示，實驗結果如圖9所示，可以看出分別顯示了4種不同數據。
本設計以LPC1768和DP83848為核心，提供了一種基于DSP的電力電子變換電路控制器中利用以太網傳輸數據的解決方案。從硬件、軟件以及上位機3方面進行了設計。經實驗驗證，此方案確實可行。
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