一种低功耗以太网接口电路的设计方案
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0 引言 随着以太网技术应用的日益普及，工业现场的仪器仪表、数据采集和控制设备以及家庭电器设备也日趋网络化，各种网络相关的系统设备对以太网接口技术的要求也越来越高。在进行以太网接口电路设计时，很多应用场合尤其是手持式网络设备需要考虑低功耗设计，加之近年来Multimedia SoC有向封装小型化发展的趋势，减少芯片引脚数目的最佳方法即是采用串行接口，通常是采用SPI接口，这就要求选用合适的以太网控制器芯片。Asix 电子的以太网控制器AX88796C 不但具备低功耗的特性，而且支持SPI总线及Non-PCI总线，可兼容多种微处理器。 1 低功耗以太网控制芯片AX88796C AX88796C 是一款针对嵌入式及工业以太网应用的网络控制芯片，功耗低、引脚数少，并支持可变I/O工作电压的SPI或Non-PCI接口。AX88796C 采用符合业界标准的8/16 位类SRAM 或地址/数据总线复用接口，可与各类常用或高阶的微控制器直接相连，而无须添加任何外部逻辑线路。此外，AX88796C 还针对具备SPI主机侧接口的微处理器，提供一组可选的SPI 从机接口来简化硬件连接。AX88796C 内置符合IEEE 802.3/IEEE 802.3u规范的10/100M 以太网物理层(PHY)及媒体访问控制器(MAC)，集成14 KB SRAM 网络封包缓冲，以高效率的方式进行封包的储存、检索与修改。 AX88796C还具备先进的电源管理、高性能封包传输模式、IPv4/IPv6 封包校验和承载引擎、IEEE 802.3x 背压流量控制及线缆交叉自适应(HP Auto-MDIX)等特性。AX88796C支持两种工作温度范围，包括商业规格0~70 ℃以及工业规格-40~85 ℃，仅64引脚的小封装尺寸可大幅减少所需PCB 空间。在应用方面，AX88796C的驱动程序非常易于编制，工程师可容易且快速地将其移植到各类嵌入式系统中。 1.1 AX88796C的特性 1.1.1 具备高性能Non-PCI接口 AX88796C 支持8/16 b 类SRAM 主机侧接口，容易与常见的嵌入式MCU 如MCS-51 系列、Renesas 系列等常用微处理器直接连接。 在类SRAM 主机侧接口上支持Slave-DMA机制以减少CPU 的负荷并支持突发数据读写模式，以满足高性能的应用需求。 I/O 接口支持可变工作电压(1.8/2.5/3.3 V)和可编程电流驱动能力(4/8 mA)。 AX88796C配备了可编程定时器的中断引脚。 1.1.2 具备高性能SPI接口 针对具备SPI 主机侧接口的CPU,可通过SPI 从接口接入。其支持SPI 计时模式0 和3,最高时钟频率40 MHz,支持可变工作电压及可编程驱动能力。 AX88796C支持可选的Ready信号，用于SPI封包收发流量控制。 1.1.3 集成单芯片快速以太网MAC/PHY 控制器 AX88796C内置14 KB的SRAM用于封包缓冲。提供IPv4/IPv6封包校验和承载引擎，以减轻CPU的负荷，支持IPv4 IP/TCP/UDP/ICMP/IGMP、IPv6 TCP/UDP/IC-MPv6 封包校验和的产生和核对。 AX88796C 支持VLAN 匹配过滤。集成10BASE-T/100BASE-TX(双绞线模式)快速以太网MAC/PHY 收发器，兼容IEEE 802.3/802.3u规范。支持交叉线自动侦测及切换(HP Auto-MDIX)。在全双工模式下支持IEEE802.3x流量控制，半双工模式下支持背压流量控制。支持自动轮询PHY状态。支持10/100 Mb/s N-way自动协商机制。 1.1.4 具备先进的电源管理功能 AX88796C 支持动态电源管理以节省在空载或低负载状况下的功耗。支持极低功耗下等待网络远程唤醒的睡眠模式。唤醒事件包括网络链接状态变动、收到Magic封包、收到Microsoft Wakeup封包或通用I/O 引脚触发。支持Protocol Offload(ARP * NS)，用于Win-dows 7 网络电源管理。在WOL 模式及Remote WakeupReady模式下，支持完整的I/O引脚隔离，以减少non-PCI和SPI接口上的漏电流。 AX88796C 除具备以上特性外，还可选外接E2PROM,以储存MAC地址;支持四个通用I/O引脚，其中两个支持Wake-On-LAN ;可提供可编程LED引脚，用于显示网络状态，支持可变I/O工作电压和可编程的电流驱动能力;集成电压转换器、25 MHz晶体振荡电路和上电复位电路;在采用25 MHz 晶振时可提供多种时钟(25 MHz、50 MHz或100 MHz)输出，也可支持外部时钟输入(25 MHz)。 1.2 AX88796C的结构及接口 AX88796C内部组成框图如图1所示。
从图1中可以看出，以太网控制芯片AX88796C 除集成了常见的网络相关组件外，还集成了与处理器连接的总线复用器及与E2PROM 连接的E2PROM 等接口，总线复用器通过SA0-4、SD0-15、CSn、WRn、RDn、IRQ等端口连接SPI总线及本地局部总线，E2PROM接口通过EE-DIO、EECS、EECK 等端口与外部E2PROM 相连;与网络相连相关的端口为TPO 、TPO-、TPI 、TPI-等，该端口支持交叉线自动侦测及切换(HP Auto-MDIX)的功能。 2 接口电路的设计 AX88796C支持可变I/O工作电压的SPI或Non-PCI接口，可以灵活选用不同的微处理器进行以太网接口的电路设计。 2.1 采用Non-PCI总线的接口电路 采用Non-PCI总线的以太网接口电路如图2所示，微处理器与AX88796C 采用8 位或16 位Local Bus 或Non-PCI总线连接;而网络接口一侧，AX88796C通过分离阻容电路与网络变压器连接，最后通过RJ-45接口连接至以太网。
2.2 采用SPI总线的接口电路 采用SPI总线的以太网接口电路如图3所示，微处理器与AX88796C 采用SPI 总线连接，AX88796C 使用SPI CLK、SSn、MOSI、MISO、IRQ 等端口与微处理器连接，其中SPI CLK、MOSI、MISO 三个端口复用后结合CSn 端口连接串行接口闪存;而网络接口一侧，AX88796C依然通过分离阻容电路与网络变压器连接，最后通过RJ-45接口连接至以太网。
2.3 方案设计中的注意事项 (1)AX88796C 内嵌的以太网PHY 可以与1CT:1CT 匝数比的网络变压器配合，如帛汉LU1S041X LF(匝数比1CT:1CT,双绞线交叉自适应)工业级网络变压器。 (2)AX88796C支持16 b的E2PROM,可选用93C56/93C66,同时AX88796C支持多种电压(3.3 V/2.5 V/1.8 V)IO,在使用E2PROM时需要合理选择。 (3)AX88796C 外接晶体后其振荡频率要求满足25 MHz 50 ppm,若超出该范围，可通过微调晶体旁的电容值进行修正。 (4)在使用AX88796C进行嵌入式以太网接口电路时，其PCB 电路板至少要采用4层板设计，这样做可以有效地降低潜在的EMI电磁干扰。 3 结语 本文以以太网控制芯片AX88796C为核心，提出一种以太网接口电路的设计方案，通过灵活的总线连接方式可兼容多种的微处理器，相对于AX88796L、AX88796及AX88796B具有低功耗等特性，可广泛应用于网络家电、大楼/家庭自动化、工业控制、安防系统、远程监控管理等领域，如POS终端机、RFID 读卡器、多功能打印机、网络摄影机、IP 语音、IP 机上盒、数字录放机、DVD录放机、数字媒体转接器及IP电视。(作者：石俊岭，张鲜红) |
