Web51 - Hardware

Hardware Web 51 - DESIGN KIT

Hardware projektu Web51 byl navrhován pro maximální cenovou optimalizaci projektu. Cílem bylo navrhnout levné zařízení pro telemetrické účely.

Základní parametry HardWaru Web51 :

• Síťový řadič RTL8019AS s výstupem přes transformátor na Twisted Pair vodiče.
• Procesor ATMEL 89C8252 = 8 kB FLASH, 256 B RAM, 2 kB EEPROM. Frekvence 22,1184 MHz.
• Lze použít ISP rozhraní k programování - programátor lze přiobjednat.
• Procesor může být nahrazen jakýmkoli jiným x52 kompatibilním. Pro účely přednastavení je však vhodné používat CPU s interní EEPROM.
• Vnější I²C EEPROM od 24C32(4k*8) do 24C1024(64k*8).
• MAX 232 osazen na základní DPS
• Plošný spoj DESIGN verze obsahuje také malé univerzální pole pro osazení malé jednoduché periférie a dvě LED diody se dvěma tlačítky pro základní ovládání, pokud to software podporuje.
• Uživatel Web51 má pro své aplikace k dispozici 16 I/O linek (celý port P1, část P3 a dva piny portu P2). Do těchto 16. pinů jsou však započítány i vyvedené vodiče I²C sběrnice, RS232 nebo tlačítek a signalizačních LED na desce. Tyto porty jsou vyvedeny na konektor PFL34.
• Od verze 4.0 (Leden 2002) a verze 3.5 Design KITu je na tomto konektoru kompletní sběrnice procesoru pro možnost použití externích modulů rozšiřujících paměť v MOVX prostoru.
• Filozofii a důvody návrhu HW tímto způsoben najdete v Popisu projektu.

Blokové schéma projektu

Hardware Web 51 - kompaktní verze

Kompaktní verze 3 vychází z prototypu. Pro neprofesionální provedení lze použit i RTL 8019AS ze síťové karty, ale počítejte se složitou demontáží čipu.

Z schématu je vidět, že ve verzi 3 byla dvojice čipů procesor/řadič doplněna jednoduchým zdrojem, obvody pro RS232 a pamětí EEPROM. Zdroj řešený pomocí 7805 na desce používá vnější napájecí adaptér. Převodník na RS 232 počítá s jednoduchým HW handshakem - RTS/CTS. Paměť EEPROM je určena jako paměť pro vlastní WWW stránky a v nyní již i pro uložení CGI skriptů. Finální verze předpokládá použití obvodu 89C8252, vzhledem k jeho možnosti ISP programování. PFL 34 obsahuje všechny potřebné piny. Je na něm vyvedeno i I2C pro další periferie.

Ethernet řadič

Ethernet řadič - IC2 (RTL 8019 v minimalizovaném zapojení, s konfigurací nastavenou natvrdo jumper režimem. Odpor R7 nastavuje při resetu obvod do osmibitového režimu.

Vizuální sledování stavu komunikace na ethernetovském rozhraní umožňují LED diody D3 a D4, připojené přes R5 a R6. D3 indikuje příjem paketu, D4 indikuje kolizi na ethernetu. Duální funkci tj. indikaci LINK a CRS se autorovi bez použití konfigurační EEPROM nepodařilo zatím dosáhnout.

Obvod má samostatný krystalový oscilátor tvořený krystalem Q2 a kondenzátory C7 a C8.

Obvod RTL8019AS je zapojen v minimalizované verzi, tzn. bez externí paměti EEPROM 93C46, kterou používá např. síťová karta pro uložení konfigurace, MAC adresy, atd.. V našem řešení jsou tyto údaje jsou uloženy přímo ve firmware CPU (MAC adresa), zčásti jsou realizovány přepnutím karty do "jumper" režimu. Těchto "přepínačů" je celkem 16 a většina je jich realizována jako sdílené s jiným signálem. Princip sdílení spočívá v tom, že ve stavu reset, kdy se vývody sloužící při normální funkci jako výstupy přepnou do třetího stavu, je možno přes jednoduché odporové děliče nastavit konfiguraci. Tyto děliče jsou realizovány odpory 100K proti zemi, realizovanými ve struktuře obvodu, a přes "jumpery" externími odpory 10K proti +5V. Těmito přepínači je nastavována adresa boot ROM, bázová I/O adresa, přerušení a typ media. Neosadíme-li tyto přepínače dostáváme tyto implicitní hodnoty :

• boot ROM (BS4..BS0 = 00000) - disabled
• bázová I/O adresa (IOS3..IOS0 = 0) - 300h
• přerušení (IRQ2..IRQ0 = 0) - int 2/9
• medium (PL1..PL0 = 0) - TP/CX auto detekce se zapnutým 10BaseT linkovým testem
• Stav přepínač PnP je nezajímavý, vzhledem k přepnutí čipu pomocí JP=1 do jumper modu. Přepínač AUI přepína při autodetekci režim AUI/BNC a je rovněž nezajímavý. Těmto implicitním hodnotám je podřízeno i celé zapojení a pohledem zpět je vidět, že jsou dodrženy i na prototypu.

Síťová část - TP rozhraní

Je integrováno na desce Web 51. Celé zapojení je důsledně symetrizováno.

Relativně nejsložitejší je na celém zapojení obvod 10BaseT tranceiveru. Obvod RTL8019AS v sobě obsahuje veškeré digitální a analogové obvody mimo vstupních/výstupních filtrů a oddělovacích transformátorů. Obvod proto vyžaduje připojení externího hybridního filtru/transformátoru. Doporučovaným obvodem je obvod 20F001N.

Schema 20F001N :

Jak je vidět, obvod obsahuje dvojici dolních propustí s frekvencí 17 MHz a dva oddělovací transformátory. Toto zapojení slouží k odstranění vyšších harmonických, vznikajicích vlivem toho, že výstup z obvodu má digitální charakter a je potřeba mu "zaoblit" hrany tak, aby co nejvíce připomínal sinusovku a ne obdélník. Odfiltrováním harmonických signálů se přes UTP kabeláž přenáší pouze užitečný signál a nikoliv nežádoucí rušení.

Karta Micronet obsahuje obdobný hybrid FC-22 (od firmy GTS). Oproti zapojení demo board od Realteku bylo připojení tohoto hybridu doplněno na výstupu přizpůsobovacím impedančním a filtračním obvodem složeným z R3/C5 a R4/C6. Řešení vstupních obvodů bylo důsledně symetrizováno. Kondenzátory C1 až C4 uzemňují pro střídavý signál středy oddělovacích transformátorů a slouží k potlačení nesymetrických rušicích signálů.

Velmi mnoho toho o ethernetu najdete v podrobné kapitole v této dokumentaci.

Na straně vysílače signál prochází dvojicí RC článků R3/C5 a R4/C6 sloužících k impedančnímu přizpůsobení a základní filtraci vysílaného signálu. Signál dále prochází hybridním filtrem, popsaným v předchozí části, na výstup, tvořený konektorem CON2.

Přijímaný signál prochází z konektoru CON2 přes hybridní filtr přímo do obvodů řadiče. Přijímač je na straně řadiče impedančně zakončen pomocí odporů R1 a R2. Tyto odpory by měly mít impedanci rovnu polovině impedance vedení, tj. 100R/2 = 50R.

Kondenzátory C1 až C4 slouží k potlačení nesymetrických rušivých signálů a uzemňují pro střídavý signál středy oddělovacích transformátorů. Kondenzátor C16 pro střídavý signál spojuje země Web 51 a UTP interface.

Zdroj

Zdroj integrovaný na desce vychází z klasického zapojení s obvodem 7805. Napájecí napětí z "adaptéru do zdi" je vedeno přes konektor CON4 na diodu D5 (libovolná malá usměrňovací) chránící celou desku před přepólováním na filtrační elektrolytický kondenzátor C101. Od verze 3.1 jsou u konektoru osazeny pozice na dvě diody, jejich kombinací lze volit polaritu napájecího konektoru.

Obvod 7805 je v klasickém zapojení, C102 a C103 blokují celé zapojení před zákmity, dioda D7 chrání stabilizátor před poškozením při poklesu vstupního napájecího napětí pod úroveň napětí na výstupu. Kondenzátor C104 slouží jako hlavní výstupní filtrační kondenzátor. SMD keramické kondenzátory C105 a C106 blokují napájení procesoru a obvodu RTL proti zákmitům. Kondenzátor C108 je v blokující v klasickém provedení, buď keramickém nebo lépe speciálním odrušovacím.

Procesor

Reset procesoru je tvořen v nejjednodušší verzi pouze RC obvodem D6 a C11. Kondenzátor C11 resetuje procesor při zapnutí napájení. Dioda D6 slouží k vybití C11 při resetu zařízení krátkým vypnutím napájecího napětí. Při stavbě se ukázalo vhodné nespoléhat na integrovaný odpor v procesoru a doplnit tuto kombinaci ještě doplněním odporu cca 10K k paralelně k diodě D6.

Od verze 3.1 však standardě osazujeme integrovaný RESET jako je DS1833 nebo podobný v pouzdru TO92.

Oscilátor je klasicky tvořen krystalem Q1 a kondenzátory C9 a C10. Použitý krystal je v miniaturním provedení HC49U/S, na desku je však možno osadit i krystal v klasickém pouzdru HC49/U či HC18.

K procesoru je připojena I²C paměť s obsahem www stránek či skripty, tvořená obvodem IC5. I²C sběrnice je zakončena pull up odpory R8 a R9. Jejich hodnota závisí na kapacitě a zatížení celé sběrnice. Je-li sběrnice použita externě je vhodné ji zakončit i na druhém konci, další dvojicí pull up odporů.

Komunikaci procesoru s okolím zabezpečuje sériová linka řízená interním UARTem. Logické úrovně TTL a RS232 jsou mezi sebou převáděny obvodem IC3. Obvod MAX232 či jeho ekvivalent v sobě obsahuje dvojici převodníků TTL/RS232, dvojici převodníků RS232/TTL a měnič 5V/+-10V. Zabudovaný měnič napětí na principu nábojové pumpy potřebuje ke své činnosti pouze čtyři externí kondenzátory C12 až C15. Zapojení umožňuje, mimo holé komunikace přes TxD/RxD i jednoduché řízení toku dat pomocí signálů RTS/CTS.

Další rozšiřování a programování procesoru přes ISP rozhraní zabezpečuje konektor PFL34. Zapojení konektoru je od verze 4 jiné!.

V současnosti testujeme verzi 4 s procesorem T89C51RD2 nebo od jemu podobných klonů od Philipsu. Tyto procesory lze zasunout do stávající patice DIL 40 nebo PLCC44 na 89S8252 bez změn hardwaru. Podstatný rozdíl je však v ISP programování, pod stejným názvem se zde skrývá možnost nabootování speciálního programu po resetu CPU se speciální konfigurací pinů. Zaváděcí program pak zpravidla programuje flash daty, která získává ze sériového rozhraní RS 232.

Vizuální komunikaci mezi uživatelem a programem v procesoru zabezpečují LED diody D1 a D2. Proud diodami je omezen pomocí sériových odporů R10 a R11.

Použitá literatura

AT89S8252 - 8-bit Microcontroller with 8K Bytes Flash (34 str.)
40MHz 64K Flash / 1 K RAM 8-bit Microcontroller (86 str.)
DS1833 5V EconoReset (5 str.)
RTL8019 Realtek-Full duplex Ethernet Controller with Plug and Play Function (50 str.)
RTL8019AS Realtek-Full duplex Ethernet Controller with Plug and Play Function (15 str.)
CS8900 High-Integrated ISA Ethernet Controller (132 str.)
CS8900A Product Data Sheet (128 str.)
CrystalLAN CS8900 Ethernet Controller Technical Reference Manual (80 str.)
Crystal - Embedded 10BaseT Ethernet (Gary T. Desrosiers) (47347 Bytes)
20F001N - 10BaseT Filter with Common Choke (2 str.)
A $25 Web Server (Steve Freyder, David Helland a Bruce Lightner) (7 str.)

(c)Copyright 2000, 2001, HW server & Radek Benedikt Web51@HW.cz, Web51.HW.cz Final applications of the Web51 : www.HWgroup.cz