嵌入式LED显示屏控制系统应用研究 第7页
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3.5 10M/100M以太网接口电路
图3.13 DM9161E接口电路（部分）
AT91RM9200支持两种网络接口：MII与RMII，后者为精简的媒体独立接口，功能上两者基本
一致，但收发数据线的数目上后者为前者的一半，与此同时为保证数据传输速度，将参考时钟频率
提高一倍至50MHz。
DM9161E为IEEE 803.3u标准10BASE-T/100BASE-TX/FX兼容的物理层收发芯片，具有可选
的半双工/全双工能力、10M/100M速率以及自适应能力。同时又具有使用简单，价格便宜的优点，
使用者众多，很容易找到相关的Linux下的驱动。另外一款优秀的物理层芯片为REALTEK公司的
RTL8201，但其只支持MII接口，电路连接稍复杂，并且价格也高出DM9161E一倍。
为保持与ATMEL的AT91RM9200-DK开发板的网络部分兼容，系统采用DM9161E芯片，采用
RMII接口，由4脚贴片有源晶振提供50MHz的时钟，最大可能简化设计，提高稳定性。
图3.13为物理层接口芯片DM9161E的接口电路（部分），具体主要RMII信号如下：
EREFCK：参考时钟，由50MHz有源晶振导入
ETX0-ETX1：发送数据
ERX0-ERX1：接收数据
ETXEN：发送使能第三章系统硬件设计
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ERXER：接收错误
EMDC：管理数据时钟
EMDIO：管理数据输入/输出
图3.14一体化变压器电路
在以往设计中，电路采用隔离变压器和RJ-45连接器，最后通过双绞线传输的方案比较常见。
隔离变压器的作用主要是两个，一是传输数据，它把PHY送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合
滤波以增强信号，并且通过电磁场的转换耦合到不同电平的连接网线的另外一端，另外就是隔离网
线连接的不同网络设备间的不同电平，以防止不同电压通过网线传输损坏设备。除此而外，还能对
设备起到一定的防雷保护作用。
本系统采用了一体化变压器HR901103A，将网络隔离变压器同RJ-45连接器合二为一，降低了
线路复杂度，见图3.14。此外，采用一体化变压器大大减小了EMI、串扰等问题，增强了连接可靠
性。
双绞线采用一对相互绝缘的金属导线按一定密度互相绞合的方式抵御一部分外界电磁波干扰，可以
降低信号的干扰程度，每一根导线在传输中辐射电波会被另一根上发出的电波抵消。我们实际采用
的五类线包含4对双绞线，传输率100Mbps。东南大学硕士学位论文
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图3.15网络传输线阻抗匹配电路
由于双绞线具有一定长度，传输又具有一定频率，按照传输线理论，如果线长度大于信号传输
有效长度的1/6，那么就应当被看作分布系统，在高速数字设计中必须考虑到阻抗匹配问题。
阻抗匹配的目的是信号完整性（Signal Integrity）的需要，就是在信号驱动端或接收端采用一定的技
术，使得信号接收端的输入阻抗与传输线的特征阻抗相匹配，按端接位置分，包括末端端接、源端
端接、中间端接，按偏置分，包括直流偏置、交流偏置。
图3.15为传输线阻抗匹配电路，因为信号是互补的（差分对），所以右图中RX-/RX+采用差分
线末端端接方式，将两个末端端接电阻连接到一个电容上，这将节约末端端接器的功耗，没有静态
功耗浪费。左图TX-/TX+为差分线源端端接，使远端信号反射系数+1，反射信号的强度是信号强度
的一半，一半强度的反射加上一半强度的初始信号，在接收端达到信号的完整电平；另外一半强度
的反射信号沿线路向源端反向传播，被源端端接衰减，同样，这种端接没有静态功耗浪费。
3.6 FPGA硬件扫描部分接口电路
图3.16 FPGA接口电路第三章系统硬件设计
FPGA接口部分电路如图3.16所示。该部分电路主要以总线形式将FPGA映射到地址空间。主
要提供如下接口：
NCS4：片选
D[0..15]：16位数据总线
A[0..5]：地址总线
NWE：写使能
NWAIT：等待信号
由于FPGA附带的SDRAM在随机读写的情况下效率极低，所以通过接口发往FPGA的数据必
须采用连续的数据，地址线是为了区别命令和数据两种情况。命令包括设置SDRAM初始化等等一
些功能。
FPGA完成如下3个功能：
1.接收数据和命令。
2.驱动SDRAM做高速图像缓冲。
3.灰度控制扫描上屏。
3.7硬件设计中需要注意的问题
PCB层数和元件封装
由于采用ARM9设计，外部总线频率达到60MHz或者90MHz，内频180MHz，采用双层PCB
设计肯定不能满足需要，不光走线困难，由于没有完整的电源和地的平面，系统抗干扰能力差，会
严重影响到信号完整性（SI）和系统工作可靠性问题。
如果采用PQFP封装的AT91RM9200，4层PCB可以解决所有问题。
如果采用BGA封装的AT91RM9200，则至少需要6层PCB。
元件全部选用贴片封装，一方面将大大减小引脚寄生电感引起的过冲、振铃问题，同时保证焊
接可靠性，另外一方面在大规模生产时可以方便贴片机工作。
元件工作温度范围
由于LED显示屏分室内屏和室外屏，即使在南方也有可能环境温度在零度以下，这个时候同显
示屏紧密相连接嵌入式控制系统如果采用民用级元件显然不能100%满足可靠性要求，所以必须在元
件选型上严格把关，必须采用工业级元器件。
系统抗干扰性
提高系统抗干扰性能的主要措施如下：
1.布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。
2.布线时，采用完整的电源、地平面。除减小压降外，更重要的是降低耦合噪声。
3.模拟地、数字地、外壳地分开，内电层分割。
4.闲置的FPGA引脚不悬空，要接地或接电源。
5.闲置的AT91RM9200等元件输入接口设置打开内部上拉/下拉电阻，或者用外部电阻上拉/
下拉。
6.采用看门狗电路，大幅度提高整个电路的抗干扰性能。
7.尽量降低外部晶振频率，设置内部PLL电路倍频，将内频提升。
8.不用IC座，直接焊接在PCB上。
9.合理放置去藕电容：电源输入端跨接100uF以上的电解电容器的抗干扰。每个IC电源引脚
配置一个0.01uF的去藕电容，每个IC配置一个10uF钽电解电容（这种器件的高频阻抗特
别小，在500kHz～20MHz范围内阻抗小于1Ω，而且漏电流很小（0.5uA以下）。去耦电
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