基于FPGA的JPEG2000無(wú)線視頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡亦 楊永利

摘要：本文采用體積小、功能強(qiáng)大的CP2200作為以太網(wǎng)的通信接口控制芯片。介紹CP2200的功能，并以其為核心設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)通訊模塊。經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證表明，該網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)時(shí)性較高，抗干擾能力強(qiáng)。本系統(tǒng)在儀器的測(cè)試和生產(chǎn)中得到廣泛使用，有著良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： CP2200；網(wǎng)絡(luò)；單片機(jī)；

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）01（a）-0000-00

1 CP2200功能結(jié)構(gòu)

CP2200支持IEEE802.3MAC控制協(xié)議，不僅支持10 BASE-T的網(wǎng)絡(luò)，而且完全兼容100/1000 BASE-T網(wǎng)絡(luò)，可以工作在全雙工或半雙工模式，能進(jìn)行自動(dòng)極性檢測(cè)和糾正，具有碰撞自動(dòng)重發(fā)的功能，能夠自動(dòng)填充和生成CRC，支持廣播和多播MAC尋址。CP2200有2個(gè)LED燈的控制信號(hào)線，可以驅(qū)動(dòng)10mA電流。CP2200內(nèi)部不僅有2k字節(jié)的發(fā)送緩存區(qū)和4k字節(jié)的接收緩存取，同時(shí)有8k字節(jié)的內(nèi)部非易失性FLASH存儲(chǔ)器。片內(nèi)的FLASH存儲(chǔ)器，可以用于存儲(chǔ)用戶(hù)參數(shù)、Web服務(wù)器內(nèi)容或作為通用非易失性存儲(chǔ)器，最后的6個(gè)存儲(chǔ)單元工廠預(yù)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(jī)接口，且有8位復(fù)用或非復(fù)用方式，即Intel或Motorola總線方式。非復(fù)用方式時(shí)，并行接口的讀寫(xiě)1字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)，通常需要260ns，復(fù)用方式則需要300ns。為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度，本系統(tǒng)采用非復(fù)用總線方式，且在該方式下采用連續(xù)讀寫(xiě)操作，使得數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到30Mbps。非復(fù)用Intel總線方式下，具體數(shù)據(jù)幀的讀寫(xiě)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(fù)用方式，因此本系統(tǒng)選用48腳TQFP封裝。

圖中，THOLD為讀和寫(xiě)的保持延時(shí)時(shí)間，一般≥60ns，

TAHR和TAHW是讀和寫(xiě)的地址保持時(shí)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(shí)間，≥30ns。

（2）/RD在TRD期間保持低電平。TRD是讀有效的時(shí)間，≥160ns。

（3）在/RD的下降沿，把數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)總線上。TVD1是數(shù)據(jù)總線的建立時(shí)間， ≤140ns。

（4）TVD2，是數(shù)據(jù)總線從/RD的上升沿到恢復(fù)到高阻態(tài)的時(shí)間，通常為60ns。

寫(xiě)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(shí)間，≥30ns。

（2）/WR在TWR期間保持低電平。TWR是讀有效的時(shí)間，≥120ns。

（3）TDS是數(shù)據(jù)總線的建立時(shí)間，≥40ns。

（4）TDH是數(shù)據(jù)總線的保持時(shí)間，≥20ns。

2 硬件設(shè)計(jì)

CP2200芯片外圍的硬件電路包括復(fù)位電路、晶振電路、I/O并行接口電路、網(wǎng)絡(luò)接口電路等。如圖3所示為電路原理圖。

復(fù)位管腳/RST通過(guò)1K電阻被拉高，并且接到單片機(jī)的P1.5管腳，由單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位控制。CP2200的工作頻率為20Mhz，通過(guò)外部晶振接入。CP2200與單片機(jī)的并行接口電路按非復(fù)用總線方式連接，MUXEN和MOTEN都接地。地址總線A0～A7接單片機(jī)的P3.0～P3.7。數(shù)據(jù)總線D0～D7接處理器的P4.0～P4.7。讀寫(xiě)信號(hào)/RD和/WR，片選信號(hào)/CS均接到單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行控制。中斷信號(hào)/INT接到單片機(jī)，向單片機(jī)發(fā)送中斷請(qǐng)求。網(wǎng)絡(luò)通訊信號(hào)與RJ-45之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變壓器E2023NL進(jìn)行隔離。CP2200芯片的兩個(gè)管腳LINK和ACT控制兩個(gè)發(fā)光二極管，用于指示網(wǎng)絡(luò)控制器的工作狀態(tài)。 為減少干擾，系統(tǒng)穩(wěn)定地運(yùn)行，需要所有的地共地，因此在每個(gè)電源和地之間串上一個(gè)0.1μF的電容，電源的工作電壓取+3.3V。

3 軟件設(shè)計(jì)

TCP/IP協(xié)議是基于連接的協(xié)議，在收發(fā)數(shù)據(jù)前，發(fā)送端和接收端要進(jìn)行3次握手，然后建立連接。數(shù)據(jù)從A端傳到B端，B端會(huì)回送確認(rèn)包給A端。因此TCP/IP協(xié)議是一種可靠性較高的數(shù)據(jù)通信方式。UDP協(xié)議是基于非連接的協(xié)議，發(fā)送端和接收端不需要建立連接，直接發(fā)送數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)從A端傳到B端，B端不會(huì)回送確認(rèn)包給A端。因此UDP協(xié)議適的可靠性不高。本系統(tǒng)應(yīng)用于石油測(cè)井的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中，可靠性和實(shí)時(shí)性要求比較高，因此采用了TCP/IP協(xié)議。

CP2200通過(guò)EMIF接口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，本系統(tǒng)中單片機(jī)的外部中斷0和定時(shí)器0用于TCP/IP協(xié)議棧。由于單片機(jī)的處理速度和內(nèi)部資源有限，不可能集成所有的TCP/IP協(xié)議，因此需要對(duì)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行裁剪。結(jié)合本系統(tǒng)的實(shí)際需要，進(jìn)行裁剪。使用silicon公司推出的TCP/IP設(shè)置軟件TCP/IP ConfigurationWizard，可以配置TCP/IP協(xié)議棧的參數(shù)，對(duì)協(xié)議棧進(jìn)行設(shè)置。

程序設(shè)計(jì)采用C/S的工作模式，軟件的工作流程如圖4所示。本系統(tǒng)為服務(wù)器，測(cè)井儀器為客戶(hù)端。本系統(tǒng)的單片機(jī)使用C語(yǔ)言編程，使用keil51編譯器。使用配置向?qū)CP/IP ConfigurationWizard生成程序的代碼框架。mn_server（）啟動(dòng)工作后，有中斷服務(wù)程序和回調(diào)函數(shù)兩種交互方式。本系統(tǒng)采用回調(diào)函數(shù)實(shí)現(xiàn)與主進(jìn)程進(jìn)行交互，使用回調(diào)函數(shù)callback_app_server_idle（）采集儀器的數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)非空時(shí)，mn_server（）周期性的調(diào)用callback_app_server_idle（）函數(shù)。

4 測(cè)試驗(yàn)證

網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)置用于設(shè)置與測(cè)試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接的IP、端口等參數(shù)，并顯示連接狀態(tài)。將上位機(jī)IP地址改為192.168.1.2，子網(wǎng)掩碼255.255.255.0，默認(rèn)網(wǎng)關(guān)192.168.1.1，本系統(tǒng)的IP地址在程序中設(shè)置為192.168.1.3。網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)置窗口如圖5所示，某只測(cè)井儀器的測(cè)試界面如圖6所示。測(cè)試中，測(cè)試系統(tǒng)和儀器的通訊效果良好。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)使用CP2200配合裁剪過(guò)的TCP/IP協(xié)議棧，組建了速度快、成本低的網(wǎng)絡(luò)通訊模塊。CP2200具有多種集成功能，有效地減少了單片機(jī)的負(fù)載，內(nèi)部的各單元設(shè)置靈活簡(jiǎn)易，給以太網(wǎng)控制器的設(shè)計(jì)帶來(lái)了許多的方便。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證表明，該網(wǎng)絡(luò)通訊模塊運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)時(shí)性較高，抗干擾能力強(qiáng)。本文研制的儀器測(cè)試系統(tǒng)，提高了數(shù)據(jù)處理效率，減小了硬件資源的占用量，而且滿足了高穩(wěn)定性、高實(shí)時(shí)性和高集成化的設(shè)計(jì)要求，為儀器測(cè)試帶來(lái)了方便。目前該系統(tǒng)已在儀器的測(cè)試和生產(chǎn)中得到廣泛使用，有著良好的應(yīng)用前景。

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