基于FPGA的JPEG2000无线视频传输系统设计

摘要：本文采用体积小、功能强大的CP2200作为以太网的通信接口控制芯片。介绍CP2200的功能，并以其为核心设计网络通讯模块。经过测试验证表明，该网络通讯模块，运行稳定可靠，实时性较高，抗干扰能力强。本系统在仪器的测试和生产中得到广泛使用，有着良好的应用前景。

关键词： CP2200；网络；单片机；

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）01（a）-0000-00

1 CP2200功能结构

CP2200支持IEEE802.3MAC控制协议，不仅支持10 BASE-T的网络，而且完全兼容100/1000 BASE-T网络，可以工作在全双工或半双工模式，能进行自动极性检测和纠正，具有碰撞自动重发的功能，能够自动填充和生成CRC，支持广播和多播MAC寻址。CP2200有2个LED灯的控制信号线，可以驱动10mA电流。CP2200内部不仅有2k字节的发送缓存区和4k字节的接收缓存取，同时有8k字节的内部非易失性FLASH存储器。片内的FLASH存储器，可以用于存储用户参数、Web服务器内容或作为通用非易失性存储器，最后的6个存储单元工厂预编程的唯一48位MAC地址。CP2200工作的温度在-40℃～+85℃之间。

CP2200芯片具有30 Mb/s速率的并行主机接口，且有8位复用或非复用方式，即Intel或Motorola总线方式。非复用方式时，并行接口的读写1字节数据时，通常需要260ns，复用方式则需要300ns。为了提高系统的运行速度，本系统采用非复用总线方式，且在该方式下采用连续读写操作，使得数据传输速率达到30Mbps。非复用Intel总线方式下，具体数据帧的读写分别如图1和图2所示。CP2200有28脚QFN和48脚TQFP两种封装。20脚QFN封装仅支持复用方式，因此本系统选用48脚TQFP封装。

图中，THOLD为读和写的保持延时时间，一般≥60ns，

TAHR和TAHW是读和写的地址保持时间，均≥30ns。

读操作流程如下

（1）/RD在TAS期间保持高电平。TAS是地址总线的建立时间，≥30ns。

（2）/RD在TRD期间保持低电平。TRD是读有效的时间，≥160ns。

（3）在/RD的下降沿，把数据放到数据总线上。TVD1是数据总线的建立时间， ≤140ns。

（4）TVD2，是数据总线从/RD的上升沿到恢复到高阻态的时间，通常为60ns。

写操作流程如下：

（1）/WR在TAS期间保持高电平。TAS是地址总线的建立时间，≥30ns。

（2）/WR在TWR期间保持低电平。TWR是读有效的时间，≥120ns。

（3）TDS是数据总线的建立时间，≥40ns。

（4）TDH是数据总线的保持时间，≥20ns。

2 硬件设计

CP2200芯片的硬件电路包括复位电路、晶振电路、I/O并行接口电路、网络接口电路等。如图3所示为电路原理图。

复位管脚/RST通过1K电阻被拉高，并且接到单片机的P1.5管脚，由单片机进行复位控制。CP2200的工作频率为20Mhz，通过外部晶振接入。CP2200与单片机的并行接口电路按非复用总线方式连接，MUXEN和MOTEN都接地。地址总线A0～A7接单片机的P3.0～P3.7。数据总线D0～D7接处理器的P4.0～P4.7。读写信号/RD和/WR，片选信号/CS均接到单片机，由单片机进行控制。中断信号/INT接到单片机，向单片机发送中断请求。网络通讯信号与RJ-45之间通过网络变压器E2023NL进行隔离。CP2200芯片的两个管脚LINK和ACT控制两个发光二极管，用于指示网络控制器的工作状态。 为减少干扰，系统稳定地运行，需要所有的地共地，因此在每个电源和地之间串上一个0.1μF的电容，电源的工作电压取+3.3V。

3 软件设计

TCP/IP协议是基于连接的协议，在收发数据前，发送端和接收端要进行3次握手，然后建立连接。数据从A端传到B端，B端会回送确认包给A端。因此TCP/IP协议是一种可靠性较高的数据通信方式。UDP协议是基于非连接的协议，发送端和接收端不需要建立连接，直接发送数据包。数据从A端传到B端，B端不会回送确认包给A端。因此UDP协议适的可靠性不高。本系统应用于石油测井的现场作业中，可靠性和实时性要求比较高，因此采用了TCP/IP协议。

CP2200通过EMIF接口与单片机进行数据交互，本系统中单片机的外部中断0和定时器0用于TCP/IP协议栈。由于单片机的处理速度和内部资源有限，不可能集成所有的TCP/IP协议，因此需要对TCP/IP协议进行裁剪。结合本系统的实际需要，进行裁剪。使用silicon公司推出的TCP/IP设置软件TCP/IP ConfigurationWizard，可以配置TCP/IP协议栈的参数，对协议栈进行设置。

程序设计采用C/S的工作模式，软件的工作流程如图4所示。本系统为服务器，测井仪器为客户端。本系统的单片机使用C语言编程，使用keil51编译器。使用配置向导TCP/IP ConfigurationWizard生成程序的代码框架。mn_server（）启动工作后，有中断服务程序和回调函数两种交互方式。本系统采用回调函数实现与主进程进行交互，使用回调函数callback_app_server_idle（）采集仪器的数据。当发送缓冲区非空时，mn_server（）周期性的调用callback_app_server_idle（）函数。

4 测试验证

网络连接设置用于设置与测试系统网络连接的IP、端口等参数，并显示连接状态。将上位机IP地址改为192.168.1.2，子网掩码255.255.255.0，默认网关192.168.1.1，本系统的IP地址在程序中设置为192.168.1.3。网络连接设置窗口如图5所示，某只测井仪器的测试界面如图6所示。测试中，测试系统和仪器的通讯效果良好。

5 结束语

本系统使用CP2200配合裁剪过的TCP/IP协议栈，组建了速度快、成本低的网络通讯模块。CP2200具有多种集成功能，有效地减少了单片机的负载，内部的各单元设置灵活简易，给以太网控制器的设计带来了许多的方便。经测试验证表明，该网络通讯模块运行稳定可靠，实时性较高，抗干扰能力强。本文研制的仪器测试系统，提高了数据处理效率，减小了硬件资源的占用量，而且满足了高稳定性、高实时性和高集成化的设计要求，为仪器测试带来了方便。目前该系统已在仪器的测试和生产中得到广泛使用，有着良好的应用前景。

参考文献：

[1] 喻向阳.基于CP2200的数据采集接口. 化工自动化及仪表，2007.34（6）

[2] 李国.基于CP2200的嵌入式以太网接口设计.微计算机信息.2007.23

[3] Silabs公司.CP2200数据手册.2007