基于MC9S12NE64型單片機(jī)的嵌入式以太網(wǎng)連接

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(shè)備控制越來越多，發(fā)展也越來越快，目前，以太網(wǎng)（ethernet）已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，通過以太網(wǎng)及tcp/ip協(xié)議棧可以使不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)、交換數(shù)據(jù)。
用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)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(kuò)展以太網(wǎng)控制器來實(shí)現(xiàn)的，必要時(shí)還需要擴(kuò)展外部ram和rom。雖然這種方案應(yīng)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(jī)mc9s12ne64來實(shí)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(shè)計(jì)時(shí)間短等一系列優(yōu)點(diǎn)。

2 mc9s12ne64簡介

mc9s12ne64是freescale公司生產(chǎn)的基于hcs12 cpu內(nèi)核的16位單片機(jī)，利用它可以方便地實(shí)現(xiàn)單器件以太網(wǎng)連接，構(gòu)成一個(gè)完整的終端節(jié)點(diǎn)。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hcs12cpu內(nèi)核，3.3v下工作頻率可達(dá)到25mhz或10mips，具有優(yōu)化的c語言體系結(jié)構(gòu)，可以生成十分簡潔的代碼。

帶有片上調(diào)試接口，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)在線仿真和調(diào)試，而無需仿真器。
集成了64kb的flash內(nèi)存和 8kb的靜態(tài)ram，能夠滿足大多數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合，如果需要還可進(jìn)行外部擴(kuò)展。

集成了10/100mbps以太網(wǎng)媒介訪問控制器（emac），內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)的媒介獨(dú)立接口（mii），可以實(shí)現(xiàn)地址識(shí)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(gè)發(fā)送緩沖區(qū)和兩個(gè)接收緩沖區(qū)，mc9s12n64的ram以2倍于cpu的速度運(yùn)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(dòng)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(zhuǎn)換器（adc）、4通道16位定時(shí)器、2個(gè)串行通信接口（sci），1個(gè)高速串行外設(shè)接口（spi），1個(gè)具有256種時(shí)鐘速度選項(xiàng)的i2c接口，具備使用鎖相回路的時(shí)鐘及復(fù)位發(fā)生器（crg）模塊，有多達(dá)70個(gè)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(yīng)用

3.1 硬件設(shè)計(jì)

利用mc9s12ne64可以構(gòu)成不同功能的網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)，如網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、帶因特網(wǎng)功能的設(shè)備、遠(yuǎn)程監(jiān)控（數(shù)據(jù)采集/診斷）、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程設(shè)備通過電子郵件或文字尋呼機(jī)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bc9s12ne64與外圍器件組成，電路中帶有背景調(diào)試接頭j1；5個(gè)led狀態(tài)指示燈（分別用來顯示網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)時(shí)，mc9s12ne64的物理端口與隔離變壓器連接時(shí)必須符合ieee802.3對(duì)物理層規(guī)范的要求，如rj45的插孔與隔離變壓器的間隔應(yīng)盡量小，輸出和輸入差分信號(hào)對(duì)的走線要很好的隔離，確保電源的額定負(fù)載電流不小于300ma。設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)注意系統(tǒng)時(shí)鐘的要求，mc9s12ne64只支持皮爾斯型振蕩電路，晶振的精度應(yīng)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(jī)在工作之前，必須進(jìn)行必要的初始化，主要包括時(shí)鐘及復(fù)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(shè)計(jì)為兩個(gè)獨(dú)立的模塊，但如果用到內(nèi)部的ephy，則emac和ephy必須同時(shí)進(jìn)行初始化。

mc9s12ne64的初始化過程如下：

（1）初始化時(shí)鐘及復(fù)位發(fā)生器模塊來產(chǎn)生25mhz的內(nèi)部總線時(shí)鐘，這一過程通過設(shè)置時(shí)鐘及服務(wù)發(fā)生器（crg）模塊的寄存器表來完成。
（2）設(shè)置ephyctl0寄存器的dis10和dis100位為1，使ephy時(shí)鐘無效，直到emac和ephy配置完畢。
（3）通過ephyctl1寄存器的ephyadd0、ephyadd1、ephyadd2、ephyadd3、ephyadd4來配置mii請(qǐng)求的ephy地址。
（4）配置自動(dòng)協(xié)商模式。設(shè)置ephyctl0寄存器的andis位為0，使用自動(dòng)協(xié)商模式。
（5）設(shè)置ephyctl0寄存器的leden位為1允許ephy驅(qū)動(dòng)led信號(hào)。設(shè)置ephyctl0寄存器的ephyien位為1使ephy中斷有效。設(shè)置ephyctl0寄存器的ephyen位為1使ephy有效工作，這樣就可以實(shí)現(xiàn)emac和ephy間的介質(zhì)無關(guān)接口（mii）操作。
（6）設(shè)置mcmst寄存器的mdcsel位為0xa，來配置emac管理數(shù)據(jù)時(shí)鐘（emac mdc）。
（7）設(shè)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(shí)單個(gè)緩沖區(qū)的大小為1.5k字節(jié)，正好可以存放一個(gè)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理選擇。設(shè)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(shè)備不連接到因特網(wǎng)，則mac地址可自行定義。
（9）設(shè)置etctl寄存器為0x17來控制網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型。
（10）通過設(shè)置rxctl寄存器的prom、conmc和bcrej位來配置emac的mac地址過濾模式。如果不是自動(dòng)協(xié)商模式，則還需要設(shè)置rfce來實(shí)現(xiàn)接收流控制。
（11）設(shè)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(shè)置imask寄存器來配置允許的emac中斷信號(hào)，如需要允許某種中斷請(qǐng)求信號(hào)，則將相應(yīng)的位置1。
（13）設(shè)置txcts寄存器的ptrc位和設(shè)置ptime寄存器來初始化和傳遞暫停持續(xù)時(shí)間。
（14）設(shè)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(shè)置ephy，包括設(shè)置速度、雙工模式和流控制， 設(shè)置ephy中斷控制寄存器來配置ephy中斷控制。
（16）在自動(dòng)協(xié)商模式下，通過設(shè)置ephyctl0寄存器的dis10和dis100位為0來啟動(dòng)ephy時(shí)鐘發(fā)生器。當(dāng)自動(dòng)協(xié)商完成且連接建立后，協(xié)商暫定和雙工設(shè)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(shè)定的配置來更新協(xié)商暫定和雙工設(shè)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與以太網(wǎng)上其他設(shè)備（如pc機(jī)）的通信，只需要實(shí)現(xiàn)tcp/ip協(xié)議棧就可以了。由于單片機(jī)內(nèi)部資源不足，難以支持完整的tcp/ip協(xié)議棧，故針對(duì)各個(gè)系統(tǒng)的特點(diǎn)和功能來設(shè)定特定的tcp/ip協(xié)議棧，僅實(shí)現(xiàn)與需要相關(guān)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、http協(xié)議等。

系統(tǒng)初始化后進(jìn)入主程序循環(huán)，包括單片機(jī)的控制作用和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)于以太網(wǎng)傳輸部分來說，主要有兩個(gè)作用：一是對(duì)要發(fā)送的數(shù)據(jù)按照以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行封裝并發(fā)送；二是對(duì)接收的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解包共應(yīng)用程序使用。主程序通過嵌入tcp/ip協(xié)議來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的以太網(wǎng)通信。

4 結(jié)束語

筆者用mc9s12ne64型16位單片機(jī)實(shí)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(jìn)行通信的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。mc9s12ne64內(nèi)置了以太網(wǎng)mac層核物理層，用它可以方便地實(shí)現(xiàn)單電路以太網(wǎng)連接。使用于工業(yè)控制、保安系統(tǒng)、用戶卡表、商業(yè)自動(dòng)化、樓宇控制、照明管理、醫(yī)療檢測(cè)、自動(dòng)售貨機(jī)環(huán)境監(jiān)控器、銷售設(shè)備終端和家庭自動(dòng)化等。