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1、基于CP2200以太网智能节点的研究与设计ronggang导语：CP2200是工业领域最小的以太网控制器，它再与单片机相结合，便可实现以太网智能节点，来完成工业领域中现场数据收集与控制的任务摘要：工业领域的设备集成化、数字化、网络化、智能化已是必然趋势，“信息孤岛早已不能适应当今的信息化，急需将现场设备的控制与数据收集网络化，那么具有通讯作用的智能节点是使设备网络化的关键。CP2200是工业领域最小的以太网控制器，它再与单片机相结合，便可实现以太网智能节点，来完成工业领域中现场数据收集与控制的任务。关键词：智能节点;以太网;CP2200;TCP/IP协议随着信息技术的开展，互联网已经越来越深化
2、人们的工作和生活，测控系统也逐渐趋于网络化。在当今的测控系统中，连接在现场总线网络上的每一个节点，即传感器、变送器、执行器等都不再是单一功能的传统仪表，而是集数据收集、转换、控制、计算、报警、诊断及数字通讯等功能为一体的智能化设备亦称智能化模块或者称智能节点1。智能节点在实现通讯功能时应遵守一定的协议，在这一方面，以太网和TCP/IP协议己经成为使用最广泛的协议，而其它总线协议如RS485,RS232,CAN，LANWORKS，都只是一些部分系统的总线。怎样实现以太网智能节点并进展传输数据，怎样加载TCP/IP协议连接到互联网，成为嵌入式研究领域的一个新热门。智能节点在网络测控中起着承上启下的
3、作用。它位于传感器和执行机构所在的现场，一方面可以自主完成现场信息收集、处理及存储;另一方面又可将收集的信息通过以太网上传到PC机的人机交互界面进展数据的分析及显示，同时还可承受PC机的命令，根据系统需要对现场的执行机构实现多种控制功能。如假设可以设计这样的智能节点，那么应用领域非常广阔。2.以太网控制芯片CP22002.1CP2200简介CP2200是以太网控制器2，它包括了一个集成了IEEE802.3Ethernet的媒体访问控制器MAC,10BASE-T物理层PHY,8kB非易失性Flash存储器。48脚TQFP封装。CP2200可以为具有11个以上端口I/O引脚的任何微控制器或者主处理
4、器增加以太网通讯功能。8位并行总线接口支持Intel和Motorola总线方式，可以使用复用或者非复用方式寻址。有方式选择引脚，用于配置总线接口方式。在非复用方式，数据传输速率可以超过30Mbps。片内FLASH存储器可用于存储用户常数、Web效劳器内容或者作为通用非易失性存储器。FLASH存储器的最后6个存储单元已在出厂前被预先写入了唯一的48位MAC地址，消除大多数嵌入式系统的消费经过中必不可少的序列化步骤。CP2200有4种不同程度的功能功率形式，允许主处理器治理总的系统功耗。中断选择引脚还允许主处理器进入“sleep形式，并且当数据包到达或是当CP2200被插入到网络时有自动唤醒的功能
5、。全/半双工自适应。align=center图2-1CP2200系统框图/align2.2CP2200系统框图2.3CP2200的缓存和Flash存储器组织构造align=center图2-2CP2200的缓存及Flash存储器组织构造图/align如图2-2所示，CP2200拥有2K的发送缓存和4K承受缓存，发送缓存和承受缓存分享一样的地址空间，都通过RAMADDRH：RAMADDRL指针来存取;以及拥有独立地址空间的8K片内FLASH，通过FLASHADDRH：FLASHADDRL指针存取。2.4CP2200的存放器主控可通过并行接口访问CP2200的直接或者间接存放器，进而控制CP220
6、0。CP2200/1有114个内部直接存放器和9个间接存放器。这些存放器基于功能被分成11个种别组：中断状态和控制存放器、复位源存放器、功率形式存放器、发送状态和控制存放器、承受接口状态和控制存放器、承受缓存状态和控制存放器、FLASH存取存放器、MAC访问存放器、MAC间接存放器和PHY状态和控制存放器。align=center图3-1C8051F020与CP2200的连接原理图/align3.智能节点的连接原理图本系统采用非复用方式，C8051F020的P7口作为数据总线连接CP2200的D0:7;P6口作为地址总线连接CP2200的A0:7;P5.7作为CP2200的片选;C8051F0
7、20的P4.5连接CP2200的来进展复位操纵，而且至少要维持15s的低电平。CP2200工作于中断方式。CP2200有14个中断源，当某一事件发生时，通过向C8051F020的发出中断恳求。4.以太网通讯接口软件设计align=center图4-1典型以太网帧/align本系统设计采用的是IEEE802.3以太网协议。它的帧构造如图4-1所示。物理信道上的收发操纵均使用这个帧格式。其中，前导序列、帧起始位、CRC校验及必要的填充均有由硬件自动添加/删除，与上层软件无关。Length/Type是类型字段，说明该帧的数据类型，不同的协议的类型字段不同。如:0800H表示数据为IP包，0806H表
8、示数据为ARP包，814CH是SNMP包，8137H为IPX/SPX包小于0600H的值是用于IEEE802的，表示数据包的长度。Data是数据字段，该字段数据不能超过1500字节。由于以太网规定整个传输包的最大长度不能超过1514字节。由于以太网帧传输的数据包最小不能小于64字节，除去DestinationMACAddress,SourceMACAddress,Length/Type及CRC共18字节，还必须传输46字节的数据，当数据段的数据缺乏46字节时，后面补0填充至最小帧长64字节。4.1CP2200初始化流程系统上电后必须初始化，才可以正常的工作，图4-2为初始化流程。align=c
9、enter图4-2CP2200初始化流程/align4.2帧的接收发送流程一旦系统初始化完成，C8051F020即可向主控PC发送收集的数据或者响应主控PC的ARP恳求，向主控PC发送自己的IP地址与MAC地址。系统复位初始化完成后，假设承受缓存、过滤器及散列表也被初始化，智能结点即可承受主控PC送来的命令、调控数据、下载更新程序或者主控PC的ARP恳求。当CP2200收到一个新帧，就通过中断通知C8051F020，然后如图4-3帧收发送流程来读取帧。align=center图4-3帧收发送流程/align帧异常中止只出现于半双工形式，典型的原因是网络拥塞。4.3TCP/IP裁剪与设计智能节点
10、局部实际上是一个相对独立的单片机系统，要完成上传下达的任务，经常与主控PC通讯，在有些应用环境中还要进展数据收集与处理的任务，相对来讲就显得单片机系统资源有限。而网络协议通常分层设计，TCP/IP协议一样也是一种分层构造。它是由基于硬件层次上的四个概念性层次构成3，即网络接口层、互联网层、传输层和应用层。为了可以与主控PC在对等层上实现通讯,为此在我们的智能节点中至少还应该设计并实现IP协议与TCP或者UDP协议。但是TCP/IP协议是一个非常庞大的体系，不可能将所有协议进展集成，只能在对TCP/IP进展裁剪的根底上，将它作为一种嵌入式应用，固化到单片机系统的ROM中，使数据传输按TCP/IP
11、协议格式封装，进而到达在Internet上传输的目的。实现TCP协议需要大容量的数据存储器来存储等待应答的数据信息。假如多个TCP连接同时建立，就需要提供额外的RAM来存储连接信息，如IP地址、端口号、缓冲指针等。而UDP的首部仅仅8字节，相对于TCP首部2060字节，显得更加紧凑，它有较高的数据传输效率，而且UDP是无连接协议，它允许使用一种更轻便、更快速的接口，更可以适应于工业中的实时性，这在单片机的嵌入式应用中更具有优越性。因此，我们在智能节点的高层协议设计中选择UDP作为传输层协议，而没有采用TCP。此外还实现了ARP,ICMP及IP协议，其它协议和TCP协议一起均被裁剪。在设计时我们
12、在充分考虑实时性要求同时，还应兼顾网络的拥塞状态与利用率。因此不能每收集一个数据就马上施行通讯经过，这样因要携带太多的各层协议首部而降低线路利用率。假设每次都组织数据到达1500字节大小的数据包再发送，那么又降低了实时性，所以我们取256字节作为一帧数据为单位施行一次通讯经过。5.智能节点主程序流程图align=center图5-1智能节点主程序流程图/align在当今工业领域急迫追求设备的集成化、数字化、网络化、智能化，怎样来实现现场设备的网络化呢?以太网智能节点在这样的应用中就显得十分重要。本文作者创新点：利用以太网控制器芯片CP2200实现了以太网智能节点硬件到软件的设计，在应用于某一领
13、域时只要稍加修改，便可以发挥它强大的通讯与数据收集及控制功能。参考文献：1冯冬芹.以太网与TCP/IPJ.自动化仪表.2003.245:67-702UserManualofcp220/1.silabs.3谢希人.计算机网络第四版M.北京：电子工业出版社.2003.64门磊等，李玉强等.基于以太网嵌入式系统研究J.沈阳工业大学学报，2004.4.5UserManualofC8051F020/1/2/3.silabs.6习博方彦军.工业以太网中网络通讯技术的研究.微计算机信息.2005.212:148-1497罗智佳等.基于以太网的分布式数据收集监控系统的应用.微计算机信息.2006.221:22-24