基于DSP的自適應光纖／千兆網(wǎng)接口設計

杜成濤，汪安民，劉德保

（1.皖西學院 機械與電子工程學院，合肥237012；2.同方工業(yè)有限公司研究所）

杜成濤（講師），主要從事在線計算機綜合測控與信息管理方面的工作。

引 言

遵循IEEE802.3標準的網(wǎng)絡通信已經(jīng)應用到較廣泛的場合。其具有連接方便、即插即用的特點。網(wǎng)線物理結構一般使用五類或者六類屏蔽雙絞線，在由金屬制作的物體上傳遞信號，存在線纜衰減、串擾，受環(huán)境影響較大。在高速千兆長距離傳輸速度下，網(wǎng)絡傳輸?shù)恼`碼率增加，傳輸性能下降較快，所以基于網(wǎng)線的傳輸距離一般不大于100m。為了實現(xiàn)長距離通信，使用光作為傳輸媒介的光纖通信得到應用和發(fā)展。光纖通信可以長距離進行，光信號衰減小，抗串擾能力強。在使用10μm的單模光纖時，傳輸距離高達5 000m，滿足大部分應用場合。

DSP（數(shù)字信號處理器）具有較高的工作頻率，其內(nèi)部集成硬件網(wǎng)絡MAC接口，外接一個物理層芯片就可以方便地實現(xiàn)千兆網(wǎng)絡通信。可以通過硬件或者軟件配置方法實現(xiàn)千兆網(wǎng)絡和光纖接口的在線切換。本文介紹一種基于高速數(shù)字信號處理器TMS320C6455的嵌入式千兆網(wǎng)接口設計，并通過軟硬件自適應配置網(wǎng)絡或光纖接口。

1 C6455及其結構

C6455是TI公司功能較強的定點DSP之一，其最高工作頻率達到1.25GHz，單個指令周期可以運行8條32位指令。全速運行可以提供9 600MIPS定點計算能力。C6455的內(nèi)部結構如圖1所示。

圖1 C6455內(nèi)部結構圖

C6455具有32KB的一級數(shù)據(jù)Cache（L1D）、32KB的一級程序Cache（L1P）以及較大容量的2MB的2級存儲空間，芯片片內(nèi)有一個32KB的ROM。C6455具有DDR2控制器接口，可以外接DDR2，直接尋址范圍達到512MB。C6455的片內(nèi)外設有RapidIO、PCI、EMIF、千兆網(wǎng)口以及SPI、I2C總線、GPIO等接口。這些接口通過片內(nèi)的高速互聯(lián)總線和CPU處理器交互數(shù)據(jù)。千兆網(wǎng)口片內(nèi)集成MAC層芯片，該MAC層芯片具有EMAC模塊和MDIO模塊。所以，C6455用于網(wǎng)絡通信，只需要外接一個物理層芯片就可以了。其中的MDIO模塊用于和物理層芯片建立連接，如果出現(xiàn)接口切換、掉電等情況，都可以通過MDIO接口獲得相應信息。EMAC模塊用于數(shù)據(jù)的收發(fā)，C6455片內(nèi)集成8個8K的收發(fā)緩沖區(qū)。使用TI公司免費提供的NDK（Net Development Kit）軟件，可以很方便地建立網(wǎng)絡通信。

2 88E1111及其結構

能夠和C6455連接的物理層芯片很多，基本上大部分公司的物理層芯片都可以和C6455連接，但不同公司的芯片需要改變NDK軟件中的部分寄存器設置。本文使用Marvell公司的88E1111物理層芯片進行光纖和千兆網(wǎng)絡的連接。88E1111的片內(nèi)結構如圖2所示。

圖2 88E1111內(nèi)部結構圖

網(wǎng)絡RJ45接口發(fā)送過來的數(shù)據(jù)經(jīng)過A／D轉換器轉換，數(shù)字信號經(jīng)過譯碼濾波和均衡后由接收單元傳輸?shù)組AC芯片，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的接收。MAC發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過整形濾波后由D／A轉換器變換成模擬信號發(fā)送到RJ45接口。為了降低誤碼，88E1111內(nèi)部具有PLL鎖相環(huán)、增益控制、時序控制和相位控制、回音抵消等模塊，這些模塊都是為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕诓煌h(huán)境或者不同外接設備下，都可以高速、可靠地通信。

圖2中的LED控制模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸時的燈光顯示，MDIO模塊建立鏈接，JTAG用于芯片仿真測試，時鐘模塊提供工作時鐘，電源復位用于啟動工作。

3 硬件設計

硬件設計主要包括C6455和88E1111的接口設計、88E1111和RJ45的接口設計、88E1111和光纖的接口設計、88E1111的硬件配置設計等幾個部分。

C6455和88E1111的接口電路如圖3所示。C6455采用 RGMII（Reduced Gigabit Media Independent Interface）接口，兼容10／100M 工作方式。其中，RGTXC和RGRXC為發(fā)送和接收時鐘，在時鐘的上升和下降沿都可以傳輸數(shù)據(jù)，收發(fā)均采用4線，如圖3中的RGTXD［3：0］和RGRXD［3：0］引腳。RGTXCTL為發(fā)送使能引腳，RGRXCTL為接收控制引腳，該引腳電平出現(xiàn)上升沿時，表示接收數(shù)據(jù)有效。RGMDIO和RGMDCLK為MDIO模塊的數(shù)據(jù)和時鐘信號，用于C6455和88E1111建立連接。C6455可以通過該接口配置88E1111，或者讀取88E1111的信息。由于88E1111的MDIO模塊輸出為2.5V電壓，而C6455采用1.5V電壓，所以兩者之間需要增加電壓轉換芯片，本設計采用SN74TVC3306實現(xiàn)電壓轉換，接口電路如圖4所示。

圖3 C6455和88E1111的接口

圖4 MDIO接口的電壓轉換電路

圖5 88E1111和RJ45的接口

88E1111和RJ45的接口如圖5所示。圖中H5062為網(wǎng)絡隔離變壓器，其工作原理是利用特性阻抗的耦合特性，降低插入損耗、回音以及串擾，提供網(wǎng)絡濾波，減少傳輸介質(zhì)上的干擾。88E1111和H5062采用差分連接線，一般需要使用阻抗匹配網(wǎng)絡，如圖中的R1和C1。H5062和RJ45之間也需要阻抗匹配網(wǎng)絡，如圖中的R2和C2。

88E1111和光纖的接口如圖6所示。使用兩片光收發(fā)器芯片SSFF135連接光纖和DSP。將光收發(fā)器的發(fā)送和接收引腳對應連接到C6455就可以了。為了阻抗匹配，使用了電阻電容隔離電路。

圖6 88E1111和光纖的接口

可以通過設置88E1111的配置引腳，將外設接口配置成RJ45或者光纖。配置成RJ45的硬件設置如圖7所示，圖7中可以不使用電阻，為了調(diào)試和測試方便，可以增加一個0Ω的電阻。如果將接口配置成光纖接口，根據(jù)88E1111的技術手冊，按照其說明配置即可。硬件配置接口后，系統(tǒng)將固定為一種接口方式，如果外設需要自適應配置接口方式，就需要采用軟件方法。

圖7 88E1111的硬件配置

4 軟件設計

在不掉電情況下切換接口就需要C6455實時檢測到硬件配置的改變。接口切換的軟件配置流程如圖8所示。

圖8 接口切換配置流程

只要接口切換，88E1111會自動檢測到硬件發(fā)生變化，并且將狀態(tài)存儲到其寄存器中，發(fā)送EMAC中斷到C6455。C6455接收到中斷請求后，通過MDIO接口讀取88E1111寄存器的值，并根據(jù)設置重新配置88E1111，重新配置后，網(wǎng)絡的連接將重新建立，建立后就實現(xiàn)了硬件的當前配置狀態(tài)，完成在線接口的切換。C6455和88E1111的數(shù)據(jù)通信流程如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)通信流程

結 語

網(wǎng)絡和光纖數(shù)據(jù)傳輸是嵌入式系統(tǒng)廣泛使用的方式，本文介紹了基于C6455的千兆網(wǎng)口和光纖接口的自適應數(shù)據(jù)通信，可以在系統(tǒng)不掉電情況下，在兩個接口之間自動切換，文中介紹了該數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的軟硬件設計方法。該方法可以應用于嵌入式系統(tǒng)中，可以無需光纖路由器實現(xiàn)千兆網(wǎng)和光纖的數(shù)據(jù)通信。

［1］汪安民，張松燦.TMS320C6000系列DSP實用技術與開發(fā)案例 ［M］.北京：人民郵電出版社，2008.

［2］Texas Instruments.TMS320C6455Fixed Point Digital Signal Processor Datasheet［EB／OL］.［2012－12］.http：／／www.ti.com／.

［3］Texas Instruments.TMS320C645xDSP Ethernet Media Access Controller （EMAC）／Management Data Input／Output（MDIO）Module User's Guide［EB／OL］.［2012－12］.http：／／www.ti.com／.

［4］Marvell Semiconductor.88E1111Datasheet Integrated 10／100／1000Ultra Gigabit Ethernet Transceiver（Rev.H）［EB／OL］.［2012－12］.http：／／www.marvell.com／.