基于MSP430F149的串口服務器設計
摘 要： MSP430微處理器具有功耗低和功能模塊豐富的特點。采用MSP430F149為主控制器和以太網控制芯片CS8900A設計串口服務器，并且嵌入精簡后的TCP/IP協議。以過程控制設備為目標進行調試，實現RS-232串口和網絡接口RJ45的轉換。使串口設備聯入以太網，實現遠程網絡控制。
本文采用了TI公司生產的16位超低功耗的混合信號處理器(mixed signal processor)和Cirrus公司生產的高集成度的全面支持IEEE802.3標準的以太網控制器CS8900A來設計嵌入式串口服務器終端，以模塊化設計思想提供軟件設計，鑒于嵌入式系統(tǒng)有限的內存，對TCP/IP進行了精簡，并進行了調試。
1 硬件電路設計
主控制器MSP430[1]是美國Texas Instruments(TI)公司于1996年開始推向市場的超低功耗微處理器，擁有5種低功耗模式，以適應不同的需要。CPU從低功耗模式被喚醒，這個過程最多只需要6 μs。靈活的時鐘使用方式也是MSP430的一大特點，除了片內集成一個晶體振蕩器外，還可外接1～2個晶體振蕩器。不同的內部功能模塊可根據需要使用不同的晶體振蕩器，在不需要時可以通過設置寄存器將其關閉，以減低功耗。MSP430采用了16位的RISC架構，具有125 ns的指令周期，且內部具有豐富的功能模塊，集成了多通道10～14位的A/D轉換器、雙路12位D/A轉換器、比較器、電源電壓檢測、串行口USART(UART/SPI)、硬件乘法器、Flash存儲器、看門狗定時器及多個16位、8位定時器等功能模塊。這些結構使得MSP430微處理器可以應用到更多的場合，有更廣泛的應用，也使得串口服務器的設計更為簡單化。
以太網控制芯片CS8900A[2]是Cirrus Logic公司生產的低功耗、性能優(yōu)越的16位以太網控制器。其突出特點是使用靈活，物理層接口、數據傳輸模式和工作模式等都能根據需要而動態(tài)調整，通過內部寄存器的設置來適應不同的應用環(huán)境。
系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)的硬件框圖
電源通過5 V電源適配器，經LD1117芯片轉化為3.3 V穩(wěn)壓電源給主控制器MSP430、以太網芯片CS8900A及SP3223供電。MSP430接8 MHz的晶振，同時外接一個JTAG口，通過JTAG口接MSP430仿真器用于系統(tǒng)與MSP430開發(fā)軟件IAR之間的程序調試 。
主控制器負責控制以太網接口完成網絡數據包的發(fā)送和接收，以及相應的封裝和解包工作，根據上位機的指令完成相應的數據采集和處理，并且檢測串口通信模塊是否有事件發(fā)生然后做出相應的反應;負責完成系統(tǒng)上電復位、初始化以及低電壓檢測等功能。CS8900A內部的802.3介質訪問控制[4]負責處理有關以太網數據幀的發(fā)送和接收，包括：數據檢測、幀頭的產生和檢測、CRC校驗碼的生成和驗證。以太網模塊用于完成TCP/IP協議棧中的鏈路層功能，在發(fā)送時把網絡層數據包轉換成以太網物理幀格式用于物理信道上的傳輸;在接收時將物理信道上接收到的信號轉換成網絡層數據包。
2 軟件程序設計
軟件部分采用模塊化的設計思想，把程序化繁為簡，便于程序的設計、調試及維護。整個部分包括初始化模塊、串口數據采集及處理模塊、網絡數據采集及處理模塊和TCP/IP模塊，另外還有定時器中斷用于TCP的重發(fā)機制計時和數據采集計時、串口中斷用于轉發(fā)串口數據。
程序工作流程如圖2所示。
圖2 程序工作流程
2.1初始化模塊
初始化模塊包括對主控制器MSP430F149和以太網控制器CS8900A的初始化;包括時鐘振蕩器的設置、I/O口初始化設置、定時器A的初始化和CS8900A片內寄存器的初始化。
初始化XT1上的8MHz晶振，并用作系統(tǒng)主時鐘MCLK。
static void InitOsc(void)
{
WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; // 關閉看門狗
BCSCTL1 |= XTS; // XT1工作在高頻模式
__bic_SR_register(OSCOFF); // 啟動XT1晶振
do
{
IFG1 &= ~OFIFG; // 清除振蕩器失效標志 OFIFG
DelayCycles(100); // 延時130?滋s
}
while (IFG1 & OFIFG); // 判斷XT1是否起振
BCSCTL2 = SELM_3; // 選擇MCLK為XT1
}
I/O口的初始化：P3.7和P3.6初始化用于控制CS8900A的IOW和IOR，P3.5和P3.4用于串口UART0，P3.3～P3.0用于CS8900的地址總線，P5用于CS8900A的數據總線，這些都在CS8900A的初始化程序中進行。
以太網模塊CS8900A的初始化程序如下：
void Init8900(void)
{
unsigned int i;
P3OUT = IOR | IOW;
P3DIR = 0xff;
P5OUT = 0;
P5DIR = 0xff;
DelayCycles(40000);
DelayCycles(40000);
Write8900(ADD_PORT, PP_SelfCTL);
Write8900(DATA_PORT,POWER_ON_RESET);
do
Write8900(ADD_PORT, PP_SelfST);
while (!(Read8900(DATA_PORT) & INIT_DONE));
}
2.2數據采集及處理
這里包括網絡數據和串口數據的采集和處理。程序設計中設置了全局變量DonetworkStuff函數來檢查是否收到一個幀。當確定數據包是發(fā)給特定模塊時，開始調用函數ProcessFrame()來對數據進行處理。
2.3 TCP/IP模塊
層次結構是描述協議棧普遍采用的方法，每一層都向上一層提供服務，同時使用來自下層提供的服務，低層的操作細節(jié)對上層來說是不透明的。根據嵌入式自身的特點和系統(tǒng)需求，對TCP/IP進行了精簡，以更適合嵌入式系統(tǒng)的需要。TCP/IP的4層結構與OSI的7層參考模型對應關系如圖3所示。
圖3 TCP/IP的4層結構TCP/IP協議中應用層、傳輸層、互聯網層和網絡接口層的基本功能如表1所述。
表1 TCP/IP 協議各層功能
當有串口數據需要發(fā)送或者收到網絡數據后，系統(tǒng)進入TCP/IP協議模塊對數據進行處理，TCP/IP協議模塊的初始化程序如下：
void TCP Init(void)
{
BCSCTL1 &= ~DIVA0;
//ACLK=XT1/4=2MHz
BCSCTL1 |=DIVA1;
TACTL=ID_3+TASSEL_1+MC_2+TAIE;
//選擇ACLK為時鐘源，1/8分頻，連續(xù)計數模式
Init8900();
TransmitControl = 0;
TCPFlags = 0;
TCPStateMachine = CLOSED;
SocketStatus = 0;
}
目前市場成型的串口服務器產品大多采用高性能32位微處理器在RTOS(實時多任務操作系統(tǒng))上開發(fā)，成本高，開發(fā)周期長。采用16位的MSP430的串口服務器，成本較低，而且功耗較低，配置以太網控制器CS8900A，有很廣泛的應用場合。采用16位微處理器、網絡接口芯片和精簡TCP/IP協議的設計，實現RS-232串口和網絡接口RJ45的轉換，既經濟，又簡單。
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