基于FPGA的JPEG2000無線視頻傳輸系統設計

胡亦 楊永利

摘要：本文采用體積小、功能強大的CP2200作為以太網的通信接口控制芯片。介紹CP2200的功能，并以其為核心設計網絡通訊模塊。經過測試驗證表明，該網絡通訊模塊，運行穩定可靠，實時性較高，抗干擾能力強。本系統在儀器的測試和生產中得到廣泛使用，有著良好的應用前景。

關鍵詞： CP2200；網絡；單片機；

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）01（a）-0000-00

1 CP2200功能結構

CP2200支持IEEE802.3MAC控制協議，不僅支持10 BASE-T的網絡，而且完全兼容100/1000 BASE-T網絡，可以工作在全雙工或半雙工模式，能進行自動極性檢測和糾正，具有碰撞自動重發的功能，能夠自動填充和生成CRC，支持廣播和多播MAC尋址。CP2200有2個LED燈的控制信號線，可以驅動10mA電流。CP2200內部不僅有2k字節的發送緩存區和4k字節的接收緩存取，同時有8k字節的內部非易失性FLASH存儲器。片內的FLASH存儲器，可以用于存儲用戶參數、Web服務器內容或作為通用非易失性存儲器，最后的6個存儲單元工廠預編程的唯一48位MAC地址。CP2200工作的溫度在-40℃～+85℃之間。

CP2200芯片具有30 Mb/s速率的并行主機接口，且有8位復用或非復用方式，即Intel或Motorola總線方式。非復用方式時，并行接口的讀寫1字節數據時，通常需要260ns，復用方式則需要300ns。為了提高系統的運行速度，本系統采用非復用總線方式，且在該方式下采用連續讀寫操作，使得數據傳輸速率達到30Mbps。非復用Intel總線方式下，具體數據幀的讀寫分別如圖1和圖2所示。CP2200有28腳QFN和48腳TQFP兩種封裝。20腳QFN封裝僅支持復用方式，因此本系統選用48腳TQFP封裝。

圖中，THOLD為讀和寫的保持延時時間，一般≥60ns，

TAHR和TAHW是讀和寫的地址保持時間，均≥30ns。

讀操作流程如下

（1）/RD在TAS期間保持高電平。TAS是地址總線的建立時間，≥30ns。

（2）/RD在TRD期間保持低電平。TRD是讀有效的時間，≥160ns。

（3）在/RD的下降沿，把數據放到數據總線上。TVD1是數據總線的建立時間， ≤140ns。

（4）TVD2，是數據總線從/RD的上升沿到恢復到高阻態的時間，通常為60ns。

寫操作流程如下：

（1）/WR在TAS期間保持高電平。TAS是地址總線的建立時間，≥30ns。

（2）/WR在TWR期間保持低電平。TWR是讀有效的時間，≥120ns。

（3）TDS是數據總線的建立時間，≥40ns。

（4）TDH是數據總線的保持時間，≥20ns。

2 硬件設計

CP2200芯片外圍的硬件電路包括復位電路、晶振電路、I/O并行接口電路、網絡接口電路等。如圖3所示為電路原理圖。

復位管腳/RST通過1K電阻被拉高，并且接到單片機的P1.5管腳，由單片機進行復位控制。CP2200的工作頻率為20Mhz，通過外部晶振接入。CP2200與單片機的并行接口電路按非復用總線方式連接，MUXEN和MOTEN都接地。地址總線A0～A7接單片機的P3.0～P3.7。數據總線D0～D7接處理器的P4.0～P4.7。讀寫信號/RD和/WR，片選信號/CS均接到單片機，由單片機進行控制。中斷信號/INT接到單片機，向單片機發送中斷請求。網絡通訊信號與RJ-45之間通過網絡變壓器E2023NL進行隔離。CP2200芯片的兩個管腳LINK和ACT控制兩個發光二極管，用于指示網絡控制器的工作狀態。 為減少干擾，系統穩定地運行，需要所有的地共地，因此在每個電源和地之間串上一個0.1μF的電容，電源的工作電壓取+3.3V。

3 軟件設計

TCP/IP協議是基于連接的協議，在收發數據前，發送端和接收端要進行3次握手，然后建立連接。數據從A端傳到B端，B端會回送確認包給A端。因此TCP/IP協議是一種可靠性較高的數據通信方式。UDP協議是基于非連接的協議，發送端和接收端不需要建立連接，直接發送數據包。數據從A端傳到B端，B端不會回送確認包給A端。因此UDP協議適的可靠性不高。本系統應用于石油測井的現場作業中，可靠性和實時性要求比較高，因此采用了TCP/IP協議。

CP2200通過EMIF接口與單片機進行數據交互，本系統中單片機的外部中斷0和定時器0用于TCP/IP協議棧。由于單片機的處理速度和內部資源有限，不可能集成所有的TCP/IP協議，因此需要對TCP/IP協議進行裁剪。結合本系統的實際需要，進行裁剪。使用silicon公司推出的TCP/IP設置軟件TCP/IP ConfigurationWizard，可以配置TCP/IP協議棧的參數，對協議棧進行設置。

程序設計采用C/S的工作模式，軟件的工作流程如圖4所示。本系統為服務器，測井儀器為客戶端。本系統的單片機使用C語言編程，使用keil51編譯器。使用配置向導TCP/IP ConfigurationWizard生成程序的代碼框架。mn_server（）啟動工作后，有中斷服務程序和回調函數兩種交互方式。本系統采用回調函數實現與主進程進行交互，使用回調函數callback_app_server_idle（）采集儀器的數據。當發送緩沖區非空時，mn_server（）周期性的調用callback_app_server_idle（）函數。

4 測試驗證

網絡連接設置用于設置與測試系統網絡連接的IP、端口等參數，并顯示連接狀態。將上位機IP地址改為192.168.1.2，子網掩碼255.255.255.0，默認網關192.168.1.1，本系統的IP地址在程序中設置為192.168.1.3。網絡連接設置窗口如圖5所示，某只測井儀器的測試界面如圖6所示。測試中，測試系統和儀器的通訊效果良好。

5 結束語

本系統使用CP2200配合裁剪過的TCP/IP協議棧，組建了速度快、成本低的網絡通訊模塊。CP2200具有多種集成功能，有效地減少了單片機的負載，內部的各單元設置靈活簡易，給以太網控制器的設計帶來了許多的方便。經測試驗證表明，該網絡通訊模塊運行穩定可靠，實時性較高，抗干擾能力強。本文研制的儀器測試系統，提高了數據處理效率，減小了硬件資源的占用量，而且滿足了高穩定性、高實時性和高集成化的設計要求，為儀器測試帶來了方便。目前該系統已在儀器的測試和生產中得到廣泛使用，有著良好的應用前景。

參考文獻：

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