基于MC9S12NE64型單片機的嵌入式以太網(wǎng)連接
關鍵詞：MC9S12NE64；單片機；嵌入式系統(tǒng)；以太網(wǎng)；TCP/IP
中圖分類號：TN913．2 文獻標識碼：B 文章編號：1006—6977(2006)0l一0044一03
1 引言
隨著互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)和以太網(wǎng)的迅速發(fā)展，基于以太網(wǎng)的設備控制越來越多，發(fā)展也越來越快。目前，以太網(wǎng)(EtImmet)已經(jīng)廣泛地應用于各種計算機網(wǎng)絡，通過以太網(wǎng)及TCP／IP協(xié)議?？梢允共煌木W(wǎng)絡設備實現(xiàn)互連、交換數(shù)據(jù)。
用以太網(wǎng)實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡連接有多種方案。傳統(tǒng)的多器件以太網(wǎng)連接方案是通過MCU擴展以太網(wǎng)控制器來實現(xiàn)的，必要時還需要擴展外部RAM和ROM。雖然這種方案應用起來不是很困難，但所用外部元件數(shù)量較多，系統(tǒng)開銷較大。穩(wěn)定性不高。為了解決傳統(tǒng)方案的不足，本文討論以集成以太網(wǎng)MAC層和物理層的16位單片機MC9S12NE64來實現(xiàn)單器件以太網(wǎng)連接。與多器件方案相比．單器件連接方案具有所用外部元件少、系統(tǒng)開銷小、穩(wěn)定性高、設計時間短等一系列優(yōu)點。
2 MC9S12NE64簡介
MC9S12NE64是Freescale公司生產(chǎn)的基于HCSl2 CPU內(nèi)核的16位單片機，利用它可以方便地實現(xiàn)單器件以太網(wǎng)連接，構成一個完整的終端節(jié)點。MC9S12NE64的內(nèi)部功能模塊框圖如圖1所示，主要特性如下：
采用高性能16位HCSl2CPU內(nèi)核，3．3V下工作頻率可達25MHz或10MIPS，具有優(yōu)化的C語言體系結構，可以生成十分簡潔的代碼。
帶有片上調(diào)試接口，可以進行實時在線仿真和調(diào)試，而無需仿真器。
集成了64KB的nash內(nèi)存和8KB的靜態(tài)RAM，能夠滿足大多數(shù)的應用場合。如果需要還可進行外部擴展。
集成了10／100Mbps以太網(wǎng)媒介訪問控制器(EMAC)，內(nèi)置標準的媒介獨立接口(MII)，可以實現(xiàn)地址識別及過濾、以太類型過濾，支持半雙工和全雙工通信，具有和8KB RAM共用可配置的EMAC緩沖區(qū)，包括一個發(fā)送緩沖區(qū)和兩個接收緩沖區(qū)，MC9S12NE64的RAM以2倍于CPU的速度運行，使得CPU和EMAC緩沖區(qū)可以交叉存取數(shù)據(jù)。
集成了10／100Mbps以太網(wǎng)物理層(EPHY)，支持自動協(xié)商模式，支持半雙工和全雙工的通信。并具有自診斷功能。
帶有8通道10位模數(shù)轉換器fADC)、4通道16位定時器、2個串行通信接口(SCI)，1個高速串行外設接口(SPI)、1個具有256種時鐘速度選項的I2C接口，具備使用鎖相回路的時鐘及復位發(fā)生器(CRG)模塊，有多達70個通用I／O口。具有80引腳TQFP-EP和112引腳LQFP兩種封裝。
3 MC9S12NE64的簡單應用
3．1 硬件設計
利用MC9S12NE64可以構成不同功能的網(wǎng)絡終端節(jié)點，如網(wǎng)絡服務器、帶因特網(wǎng)功能的設備、遠程監(jiān)控(數(shù)據(jù)采集，診斷)、對現(xiàn)場設備的遠程控制、遠程設備通過電子郵件或文字尋呼機發(fā)送消息等。
基于MC9S12NE64最少外圍器件的系統(tǒng)硬件電路原理圖如圖2所示。此最小系統(tǒng)由80引腳的MC9S12NE64與外圍器件組成，電路中帶有背景調(diào)試接頭J1；5個LED狀態(tài)指示燈(分別用來顯示網(wǎng)絡連接狀態(tài)，包括EPHY是否沖突、連接是否建立、是否接收數(shù)據(jù)、連接速度、雙工模式)；必需的偏置電阻R5；高速局域網(wǎng)電磁隔離模塊(即RJ45以太網(wǎng)接口)。其中PHY_TXP和PHY_TXN為發(fā)送線，PHY_RXP和PGY_RXN為接收線。設計時，MC9S12NE64的物理端口與隔離變壓器連接時必須符合IEEE802.3對物理層規(guī)范的要求，如RJ45的插孔與隔離變壓器的間隔應盡量小，輸出和輸入差分信號對的走線要很好的隔離，確保電源的額定負載電流不小于300mA。設計時還應注意系統(tǒng)時鐘的要求，MC9S12NE64只支持皮爾斯型振蕩電路，晶振的精度應高于25ppm。系統(tǒng)中MC9S12NE64工作在正常的單片模式，其內(nèi)部穩(wěn)壓電源處于工作狀態(tài)。
3．2 MC9S12NE64的初始化
MC9S12NE64單片機在工作之前。必須進行必要的初始化。主要包括時鐘及復位發(fā)生器(CRG)模塊、EMAC模塊、EPHY模塊等。雖然MC9S12NE64上的EMAC和EPHY被設計為兩個獨立的模塊，但如果用到內(nèi)部的EPHY，則EMAC和EPHY必須同時進行初始化。
MC9S12NE64的初始化過程如下：
(1)初始化時鐘及復位發(fā)生器模塊來產(chǎn)生25MHz的內(nèi)部總線時鐘，這一過程通過設置時鐘及復位發(fā)生器(CRG)模塊的寄存器表來完成。
(2)設置EPHYCTL0寄存器的DIS10和DIS100位為1，使EPHY時鐘無效，直到EMAC和EPHY配置完畢。
(3)通過EPHYCTL1寄存器的：EPHYADD0、E-PHYADD1、EPHYADD2、EPHYADD3、EPHYADD4來配置MII請求的EPHY地址。
(4)配置自動協(xié)商模式。設置EPHYCTL0寄存器的ANDIS位為0．使用自動協(xié)商模式。
(5)設置EPHYCTL0寄存器的LEDEN位為1允許EPHY驅動LED信號。設置EPHYCTL0寄存器的EPHYIEN位為1使EPHY中斷有效。設置
EPHYCTL0寄存器的EPHYEN位為1使EPHY有效工作，這樣就可以實現(xiàn)EMAC和EPHY間的介質(zhì)無關接口(MII)操作。
(6)設置MCMST寄存器的MDCSEL位為0xA，來配置EMAC管理數(shù)據(jù)時鐘(EMACMDC)。
(7)設置BUFCFG寄存器的BUFMAP位來配置EMAC以太網(wǎng)緩沖區(qū)的大小。BUFMAP的值用來確定系統(tǒng)RAM中用戶RAM和EMAC緩沖區(qū)的比例。BUFMAP最大為4，這時單個緩沖區(qū)的大小為1.5K字節(jié)，正好可以存放一個最大的以太網(wǎng)幀。大于緩沖區(qū)大小的數(shù)據(jù)包將被過濾掉，設計時應合理選擇。設置BUFCFG寄存器的MAXFL位來指定接受的最大幀長度，使緩沖區(qū)起到了數(shù)據(jù)過濾的作用。
(8)通過MACAD寄存器來配置6字節(jié)的MAC地址。如果設備不連接到因特網(wǎng)，則MAC地址可自行定義。
(9)設置ETCTL寄存器為0x17來控制網(wǎng)絡上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型。
(10)通過設置RXCTL寄存器的PROM、CON-MC和BCREJ位來配置EMAC的MAC地址過濾模式。如果不是自動協(xié)商模式，則還需要設置RFCE位來實現(xiàn)接收流控制。
(11)設置NETCTL寄存器為0x81來配置EMAC的工作模式，并使EMAC正常工作。
(12)設置IMASK寄存器來配置允許的EMAC中斷信號，如需要允許某種中斷請求信號，則將相應的位置1。
(13)設置TXCTS寄存器的PTRC位和設置PTI-ME寄存器來初始化和傳遞暫停持續(xù)時間。
(14)設置系統(tǒng)中斷為允許系統(tǒng)中斷。
(15)通過EMAC MII管理接口來設置EPHY，包括設置速度、雙工模式和流控制，設置EPHY中斷控制寄存器來配置EPHY中斷控制。
(16)在自動協(xié)商模式下，通過設置EPHYCTL0寄存器的DIS10和DIS100位為0來啟動EPHY時鐘發(fā)生器。當自動協(xié)商完成且連接建立后，協(xié)商暫定和雙工設置由EPHY MII寄存器決定。EMAC必須由RXCTS寄存器的FRCE位和NETCTL的FDX位所設定的配置來更新協(xié)商暫定和雙工設置。
至此。MC9S12NE64初始化完成，可以完成EMAC和EPHY間的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。要實現(xiàn)系統(tǒng)與以太網(wǎng)上其他設備(如PC機)的通信，只需要實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧就可以了。由于單片機內(nèi)部資源的不足，難以支持完整的TCP/IP協(xié)議棧，故針對各個系統(tǒng)的特點和功能來設定特定的TCP/IP協(xié)議棧，僅實現(xiàn)與需要相關的協(xié)議即可，如ARP協(xié)議、IP協(xié)議、ICMP協(xié)議、TCP協(xié)議、UDP協(xié)議、SMTP協(xié)議、HTYP協(xié)議等。
系統(tǒng)初始化后進入主程序循環(huán)，包括單片機的控制作用和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸。對于以太網(wǎng)傳輸部分來說．主要有兩個作用：一是對要發(fā)送的數(shù)據(jù)按照以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式進行封裝并發(fā)送；二是對接收的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀進行解包供應用程序使用。主程序通過嵌入TCP/IP協(xié)議來實現(xiàn)單片機的以太網(wǎng)通信。
4 結束語
筆者用MC9S12NE64型16位單片機實現(xiàn)了基于TCP/IP協(xié)議的嵌入式以太網(wǎng)通信。隨著數(shù)字化、智能化儀器的飛速發(fā)展，采用以太網(wǎng)進行通信的應用將會越來越廣泛。MC9S12NE64內(nèi)置了以太網(wǎng)MAC層和物理層，用它可以方便地實現(xiàn)單電路以太網(wǎng)連接。適用于工業(yè)控制、保安系統(tǒng)、用戶卡表、商業(yè)自動化、樓宇控制、照明管理、醫(yī)療檢測、自動售貨機環(huán)境監(jiān)控器、銷售設備終端和家庭自動化等。
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