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百兆網(wǎng)設(shè)計(jì)資料?獲取

寫在設(shè)計(jì)前

其實(shí)在構(gòu)思這篇設(shè)計(jì)指導(dǎo)前，我想像之前一樣，找ST的評(píng)估板資料，然后取個(gè)標(biāo)題“STM32硬件電路設(shè)計(jì)-百兆網(wǎng)篇”，然后對(duì)應(yīng)的解析下設(shè)計(jì)思路，然后文章結(jié)束。

但過(guò)程中的一件事讓我改變了我的想法，其實(shí)在我構(gòu)思本文的同時(shí)，我也在去推自己的公眾號(hào)。在一個(gè)STM32的群里推了自己之前寫的一篇文章-“STM32硬件電路設(shè)計(jì)-SDRAM篇”，一位群友看了后吐槽說(shuō)看懵圈了，說(shuō)對(duì)于STM32的SDRAM，拿HAL庫(kù)用不就行了？然后我就被移除群聊了，似乎我推廣的路徑錯(cuò)了。其實(shí)對(duì)于“STM32硬件電路設(shè)計(jì)-SDRAM篇”這篇文，從硬件設(shè)計(jì)上說(shuō)，我沒(méi)有寫太多如何設(shè)計(jì)指導(dǎo)，反而是SDRAM的信號(hào)和DRAM的基礎(chǔ)知識(shí)我做了較多的講解。

其實(shí)在寫“STM32硬件電路設(shè)計(jì)-SDRAM篇”這篇文時(shí)，我查閱了ST的評(píng)估板資料后，覺(jué)得硬件設(shè)計(jì)上有點(diǎn)難以展開，太深入的話，涉及的東西太多，對(duì)于一些沒(méi)太多接觸STM32硬件的讀者，讀完后可能都已經(jīng)忘記硬件設(shè)計(jì)的主題了。淺層點(diǎn)介紹的話，就是參考規(guī)格書連接對(duì)應(yīng)的幾個(gè)信號(hào)，這樣從硬件設(shè)計(jì)上說(shuō)目的其實(shí)已達(dá)到了，電路肯定能工作。但我覺(jué)得作為硬件電路設(shè)計(jì)者，如果只會(huì)連幾條線，那我真不知道“硬件工程師”或“電路設(shè)計(jì)”這些詞是否還能用在這個(gè)僅會(huì)連線的設(shè)計(jì)者身上，我也不希望閱讀我文章的讀者是這樣的。所以我就做了個(gè)折中的選擇，對(duì)SDRAM的一些基礎(chǔ)知識(shí)做了講解，描述了SDRAM的信號(hào)和功能，然后才講解電路設(shè)計(jì)。

所以對(duì)于本文，我取標(biāo)題為“硬件電路設(shè)計(jì)-百兆網(wǎng)篇”，不再是以某個(gè)MCU為主，也是出于同樣的目的，因?yàn)槲蚁Ｍ易龅脑O(shè)計(jì)指導(dǎo)，讀者不會(huì)僅限知道在某個(gè)MCU上是怎么設(shè)計(jì)，但是換MCU后就覺(jué)得無(wú)從下手了。其實(shí)對(duì)于硬件設(shè)計(jì)，無(wú)論是否換MCU或其他的，我們想要和交付的最終結(jié)果是一個(gè)電子產(chǎn)品和功能，所以硬件設(shè)計(jì)是一種解決問(wèn)題的方法，是一種藝術(shù)，不是局限在固定的東西上的固定思維。

百兆網(wǎng)電路的一些基礎(chǔ)知識(shí)

為什么是百兆網(wǎng)，因?yàn)樵诂F(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)通信解決方案中，能找到的芯片幾乎都是支持百兆網(wǎng)，然后向下兼容10兆，當(dāng)然還有更高速度的千兆網(wǎng)、萬(wàn)兆網(wǎng)，對(duì)于更高速率網(wǎng)絡(luò)需求的硬件設(shè)計(jì)，我們放在后續(xù)的文章慢慢來(lái)介紹，這里我們先從百兆入手，想看電路設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)直接跳到設(shè)計(jì)詳解章節(jié)。

一個(gè)百兆網(wǎng)的硬件電路如下圖，摘自ST評(píng)估板MB1219B。要完成一個(gè)百兆網(wǎng)的電路設(shè)計(jì)，我們選擇好支持百兆網(wǎng)的主控后，剩下需要做的工作是選擇一顆支持百兆網(wǎng)的PHY芯片和一個(gè)帶網(wǎng)絡(luò)變壓器的RJ45即可，如果選擇的RJ45不帶網(wǎng)絡(luò)變壓器，那還需要再找個(gè)網(wǎng)絡(luò)變壓器。

ST評(píng)估板MB1219B的百兆網(wǎng)參考電路

有了上面的描述后，我們現(xiàn)在總結(jié)一個(gè)百兆網(wǎng)電路能跑起來(lái)的三個(gè)必要條件是：

1-?支持百兆網(wǎng)的主控芯片

2-?百兆網(wǎng)PHY芯片

3- 帶網(wǎng)絡(luò)變壓器的RJ45，不帶網(wǎng)絡(luò)變壓器的話還需下面條件四

4- 網(wǎng)絡(luò)變壓器
應(yīng)用拓?fù)淙缦聢D所示，主控芯片有MAC接口，主控通過(guò)MAC接口跟PHY芯片通信，PHY芯片把通信數(shù)據(jù)編碼后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變壓器把數(shù)據(jù)傳輸出去，或者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變壓器接收數(shù)據(jù)解碼后通過(guò)MAC接口傳給主控芯片。為什么要通過(guò)PHY芯片？原因是普通的電信號(hào)傳輸會(huì)有衰減和容易被干擾，解決方法是把普通電信號(hào)變成差分電信號(hào)傳輸。差分信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，也不容易信號(hào)衰減，但用差分信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)還是不能完全解決抗干擾問(wèn)題，所以就加入了數(shù)據(jù)編碼來(lái)增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸抗干擾能力，PHY就是做這些事的。

有了上面的概念后，我們?nèi)绾沃乐骺匦酒欠裰С职僬拙W(wǎng)？我們可以從主控芯片的概述中獲取這個(gè)信息，只要我們?cè)谥骺匦酒锌吹接?0/100兆 MAC接口，那這顆芯片就是支持百兆網(wǎng)的，如下圖所示。為什么是MAC接口，往下我在設(shè)計(jì)詳解中說(shuō)明。

STM32F7系列規(guī)格書中描述支持百兆網(wǎng)

那什么是RJ45接口，RJ45就是插網(wǎng)線那個(gè)接口，如下圖，這沒(méi)啥好說(shuō)的，放圖就知道。

RJ45連接器

什么是網(wǎng)絡(luò)變壓器，網(wǎng)絡(luò)變壓器就是下圖這個(gè)東西，相信你會(huì)在很多拆機(jī)的工控板上能看到。為什么要放網(wǎng)絡(luò)變壓器，因?yàn)橐蕴W(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)里規(guī)定了以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備信號(hào)之間必須滿足1500V的耐壓隔離要求，要實(shí)現(xiàn)隔離無(wú)非就是電磁隔離和電容隔離，電磁隔離方式就是用變壓器，電容隔離就是用電容。

網(wǎng)絡(luò)變壓器

設(shè)計(jì)詳解

MII/RMII接口設(shè)計(jì)

我們知道百兆網(wǎng)電路能否工作起來(lái)，只要把PHY電路對(duì)應(yīng)接到主控芯片和RJ45接口即可，這里選了TI的百兆網(wǎng)PHY芯片DP83848CVV做講解，對(duì)于其他的PHY芯片，也都是同樣的方法和思路。

我們先來(lái)看PHY芯片DP83848CVV的信號(hào)如下圖，我把PHY的信號(hào)分為4類，1為MII/RMII接口，2為MDI接口，3為配置接口，4為電源。

DP83848CVV引腳信號(hào)

MII/RMII接口：

MII/RMII信號(hào)是用來(lái)跟主控芯片的MAC通信的，有發(fā)送（TX）和接收（RX)兩種，設(shè)計(jì)時(shí)把它們一一對(duì)應(yīng)連接至主控的MII/RMII信號(hào)上即可，即TX信號(hào)接TX信號(hào)，RX信號(hào)接RX信號(hào)。比如這里參考ST評(píng)估板的原理圖MB1219B，隨機(jī)抓取百兆網(wǎng)電路的三個(gè)MII/RMII信號(hào)如下。

ST評(píng)估板MB1219B的百兆網(wǎng)連接

可以看到MII_TX_CLK接到PC3，MII_RXD0接到PC4，MII_RXD1接到PC5，我們查閱主控規(guī)格書的引腳復(fù)用表，在第92頁(yè)的Table 13，如下圖，可以看到復(fù)用的信號(hào)跟上面連接的一樣。

STM32F7xx的引腳復(fù)用-MII接口

當(dāng)然，有時(shí)為了產(chǎn)品成本和EMI考慮，會(huì)在MII/RMII信號(hào)線上串約22Ω的電阻做阻抗匹配來(lái)避免EMI問(wèn)題，這些串聯(lián)電阻的Layout擺放位置有個(gè)要求，TX信號(hào)線的串聯(lián)電阻盡可能靠近MCU側(cè)，RX信號(hào)線串聯(lián)的電阻盡可能靠近PHY側(cè)，一個(gè)方便理解的拓?fù)鋱D如下所示。

TX信號(hào)的串聯(lián)電阻靠近MCU側(cè)，RX信號(hào)的串聯(lián)電阻靠近PHY側(cè)

PHY配置電路設(shè)計(jì)

處理好MII/RMII的信號(hào)線后，剩下來(lái)我們?cè)侔裀HY芯片的外圍配置電路對(duì)應(yīng)處理一下，電路就可以工作了。首先我們先看PHY的RX信號(hào)定義，可以看到，RX的信號(hào)除了做RX信號(hào)線傳輸數(shù)據(jù)以外，還有其他功能復(fù)用在上面。這些復(fù)用功能就是用來(lái)配置PHY芯片的，對(duì)應(yīng)的處理上拉或者下拉，芯片上電后通過(guò)讀取這些上下拉電平信號(hào)來(lái)對(duì)應(yīng)配置芯片工作。

PHY芯片的RX信號(hào)有復(fù)用功能

首先我們先看PIN 39，可以看到該引腳復(fù)用功能為MII_MODE，這個(gè)信號(hào)和6號(hào)腳復(fù)用的SNI_MODE組合用來(lái)設(shè)置PHY跟MAC通信接口方式，可以在規(guī)格書第9頁(yè)看到，如下圖所示。

MII_MODE和SNI_MODE組合設(shè)置跟MAC的通信方式

在上圖的規(guī)格書截圖中可以看到，MII_MODE和SNI_MODE可以設(shè)置PHY芯片工作在3種模式。MII模式會(huì)用到DATA0-DATA3四條信號(hào)線，RMII僅用到DATA0-DATA12條線，SNI僅用DATA0一條線，其中MII和RMII都工作在百兆，而SNI僅能工作在10兆。限于篇幅，如果讀者想細(xì)節(jié)了解MII和RMII的話，請(qǐng)參考后續(xù)發(fā)表的文章“硬件設(shè)計(jì)之MAC接口-MII/RMII”。

那我們?cè)撨x擇工作在哪種方式呢？這個(gè)問(wèn)題具體看主控芯片MAC接口支持哪幾種，如果3種都支持，那就選RMII模式，因?yàn)橥瑯邮前僬拙W(wǎng)模式，RMII信號(hào)線更少，Layout方便。如果不支持RMII，那就選MII了，至于SNI，目前應(yīng)用場(chǎng)合不多了，就不考慮。所以對(duì)于PHY芯片的39號(hào)引腳，除了連接到主控芯片外，參考ST評(píng)估板的主控芯片的MAC僅支持MII模式，所以按照這個(gè)信息，需要把39號(hào)腳下拉一個(gè)10kΩ電阻到GND。但這里有個(gè)比較有意思的事，在上圖中的描述里，對(duì)于MII_MODE這個(gè)引腳，可以不處理上下拉，芯片會(huì)默認(rèn)為MII模式，描述如下圖。這里我們剛好需要MII模式，所以參考規(guī)格書的這樣說(shuō)明，就可以不放置下拉。

完成MII/RMII/SNI模式選擇設(shè)置后，我們?cè)倏?2-46號(hào)腳，這幾個(gè)引腳的復(fù)用功能PHYAD0-PHYAD4是用于設(shè)置PHY芯片的地址的。為什么要設(shè)置地址，待會(huì)我們會(huì)說(shuō)到，PHY芯片有個(gè)叫MDI接口，它跟I2C類似，可以掛載多個(gè)器件，各個(gè)器件需要設(shè)置地址才能被正確訪問(wèn)到。

同樣我們看規(guī)格書第9頁(yè)的描述如下圖所示，可以看到這幾個(gè)引腳內(nèi)部都有了默認(rèn)的上下拉電阻，所以對(duì)于只有一個(gè)PHY芯片的電路，沒(méi)啥要求的話就不用自己手動(dòng)加上下拉，直接使用芯片默認(rèn)的即可。

PHYAD0-PHYAD4內(nèi)部均有上下拉電阻

那剩下還有LED_CFG這個(gè)信號(hào)了，這個(gè)信號(hào)是用于設(shè)置指示燈的，對(duì)的，就是網(wǎng)口會(huì)閃的那2個(gè)黃綠指示燈。規(guī)格書中描述該信號(hào)用來(lái)選擇LED的模式，如下圖所示，默認(rèn)為模式1。模式1表述LED_LINK這個(gè)引腳ON時(shí)表示網(wǎng)線連接上了，OFF表示沒(méi)連接。LED_SPEED這個(gè)引腳ON時(shí)表示在百兆網(wǎng)，OFF時(shí)在十兆網(wǎng)。LED_ACT/LED_COL引腳ON時(shí)表示有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，OFF時(shí)沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸。

下面我們來(lái)看網(wǎng)口LED的設(shè)計(jì)，在規(guī)格書的引腳分布圖中，我們可以知道LED_LINK、LED_SPEED和LED_ACT/LED_COL分別在引腳28、27、26號(hào)引腳，這幾個(gè)引腳除了用來(lái)做LED指示以外，還復(fù)用其他功能。復(fù)用的功能是用來(lái)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)協(xié)商的，先說(shuō)說(shuō)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)商配置，細(xì)節(jié)也在規(guī)格書第9頁(yè)如下圖所示。

引腳26-28除了用于控制LED外還用于設(shè)置PHY芯片的網(wǎng)絡(luò)協(xié)商方式

上圖可以看到，AN0-AN1是設(shè)置不同協(xié)商工作模式的，這里具體要設(shè)置哪種模式就看項(xiàng)目需求了，如果沒(méi)有特別需求，那么就設(shè)置為十兆、百兆半/全雙通信自協(xié)商。即把AN_EN通過(guò)2.2kΩ電阻拉到VCC，這時(shí)無(wú)論AN0-AN1怎么設(shè)置，網(wǎng)絡(luò)工作模式由PHY芯片和接到的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備自行握手協(xié)商確定。這里注意圖中圈出的描述，這幾個(gè)引腳是不能直接接地或者接到VCC的。

完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)商配置之后，我們繼續(xù)看LED電路設(shè)計(jì)。因?yàn)長(zhǎng)ED和協(xié)商配置都共用一個(gè)引腳，所以協(xié)商模式設(shè)置的上下拉電阻會(huì)對(duì)LED的電路設(shè)計(jì)造成影響。所以設(shè)計(jì)電路時(shí)需要根據(jù)協(xié)商模式的上下拉設(shè)計(jì)LED電路。從規(guī)格書中知道，PHY芯片上電后會(huì)去讀一次AN_EN、AN1和AN0這三個(gè)引腳的電平保存，當(dāng)這三個(gè)引腳作為L(zhǎng)ED功能時(shí)，引腳作為L(zhǎng)ED控制信號(hào)時(shí)，控制LED打開的信號(hào)是初始讀到的電平的相反值。意思就是，如果上電時(shí)讀引腳為高電平，那么表示LED打開時(shí)，該引腳會(huì)輸出低電平，如果上電讀引腳為低電平，那么表示LED打開時(shí)，輸出高電平。

一個(gè)典型的例子如下圖所示，LED_SPEED這個(gè)引腳作為AN1功能做了上拉，按照上面描述，當(dāng)這個(gè)引腳作為L(zhǎng)ED指示功能時(shí)，會(huì)輸出相反的電平表示ON信號(hào)，所以這里低電平為L(zhǎng)ED的ON信號(hào)，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)，LED的負(fù)極接到LED_SPEED上，正極通過(guò)限流電阻接至3.3V，當(dāng)LED_SPEED輸出低電平時(shí)LED亮。同樣的邏輯，LED_LINK因?yàn)橄吕?，所以相反電平高電平指示LED亮，所以LED的正極串聯(lián)一個(gè)電阻值接到LED_LINK，負(fù)極接地，LED_LINK輸出高電平時(shí)LED亮。

LED_SPEED輸出低電平LED亮，LED_LINK輸出高電平LED亮

有了上面的介紹后，我們參考ST評(píng)估板MB1219B來(lái)確認(rèn)看看，如下圖所示，可以看到26、27、28三個(gè)引腳都做了上拉，所以LED電路得用上圖LED_SPEED的那種方式，可以看到是符合分析的。這里說(shuō)明下，常規(guī)情況下，網(wǎng)口綠燈表示網(wǎng)線連接上，黃燈表示有數(shù)據(jù)傳輸，所以設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)應(yīng)連即可，當(dāng)然也可以不按照這個(gè)要求來(lái)，可以根據(jù)自己的需求來(lái)選，比如有的設(shè)備就用綠燈來(lái)表示網(wǎng)絡(luò)在百兆還是十兆，黃燈表示數(shù)據(jù)傳輸。

ST評(píng)估板的LED處理連接方式

完成LED電路設(shè)計(jì)后，離百兆網(wǎng)電路正常工作就不遠(yuǎn)了，剩下就是參考時(shí)鐘和剛才說(shuō)的MDIO接口。MDIO是由MDC（時(shí)鐘信號(hào)）和MDIO（數(shù)據(jù)信號(hào)）構(gòu)成的兩線通信接口，信號(hào)沒(méi)有什么復(fù)雜的，對(duì)應(yīng)接到主控芯片的引腳上即可，因?yàn)镸DIO是雙向的，參考規(guī)格書要求，需要加一個(gè)1.5kΩ的上拉。

對(duì)于參考時(shí)鐘，如果使用MII接口，參考時(shí)鐘選擇25MHz，如果是RMII接口，參考時(shí)鐘選擇50MHz，關(guān)于晶振作為參考時(shí)鐘如何設(shè)計(jì)選擇負(fù)載電容的相關(guān)信息請(qǐng)參考之前文章-“無(wú)源晶振電路設(shè)計(jì)”。

網(wǎng)絡(luò)變壓器電路

剩下最后一步就是如何接到網(wǎng)口上了，前面說(shuō)過(guò)，以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)里規(guī)定了網(wǎng)線必須做信號(hào)耐壓隔離，耐壓值是1500V，所以PHY信號(hào)接到網(wǎng)口上必須經(jīng)過(guò)變壓器或者電容隔離，這里主要講解變壓器隔離的設(shè)計(jì)，對(duì)于電容隔離的設(shè)計(jì)方法，感興趣的讀者可以參考后續(xù)發(fā)表的文章-“百兆網(wǎng)網(wǎng)口隔離-電容隔離”。

如下圖所示，PHY芯片的信號(hào)TD-、TD+、RD-、RD+分別對(duì)應(yīng)下圖的TPTDP、TPTDM、TPRDP、TPRDM。信號(hào)中TD-和TD+為一對(duì)差分信號(hào)，RD-和RD+為一對(duì)差分信號(hào)。設(shè)計(jì)時(shí)需要注意網(wǎng)絡(luò)變壓器前后的極性要對(duì)應(yīng)，比如下圖中RJ45口的RD-接到網(wǎng)絡(luò)變壓器的同名端，對(duì)應(yīng)的TPRDM也要接到網(wǎng)絡(luò)變壓器的同名端，不然會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)是錯(cuò)的。不過(guò)有的PHY芯片支持自動(dòng)極性矯正，接反也沒(méi)事，有的不支持極性矯正的就不能接反，具體還得仔細(xì)看規(guī)格書描述。

PHY芯片通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變壓器接至RJ45接口

參考上面描述把信號(hào)線一一對(duì)應(yīng)接好后，剩下的就是對(duì)信號(hào)處理下端接，不同PHY芯片有不同端接方式，一般都會(huì)在規(guī)格書中描述，如果沒(méi)有描述的話就找官方參考設(shè)計(jì)看看，或者問(wèn)芯片廠家。上圖是DP83848VYB的端接處理方式，網(wǎng)絡(luò)變壓器的抽頭接至VDD，在抽頭位置放置一個(gè)0.1uF得濾波電容，差分信號(hào)線通過(guò)49.9Ω電阻上拉端接至VDD，并放在一個(gè)0.1uF濾波電容。

上圖中用紅色框框了網(wǎng)絡(luò)變壓器和RJ45在一起，原因是有很多RJ45廠家已經(jīng)把網(wǎng)絡(luò)變壓器跟RJ45集成到一起了，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)只要參考規(guī)格書的PHY連接到網(wǎng)絡(luò)變壓器的部分電路即可。如下為漢仁的一個(gè)百兆R(shí)J45內(nèi)部原理框圖，可以看到已經(jīng)集成了網(wǎng)絡(luò)變壓器，所以選用設(shè)計(jì)時(shí)只需要把PHY的RD-接到RJ45的RD-，RD+接到RD+即可。

RJ45內(nèi)部集成了網(wǎng)絡(luò)變壓器