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| 17 April, 2012 | 一般 | (4 Reads)
隨著互聯網的出現和以太網的迅速發展,基於以太網的設備控制越來越多,發展也越來越快。目前,以太網(EtImmet)已經廣泛地應用於各種計算機網絡,通過以太網及TCP/IP協議棧可以使不同的網絡設備實現互連、交換數據。   用以太網實現嵌入式系統的網絡連接有多種方案。傳統的多器件以太網連接方案是通過MCU擴展以太網控制器來實現的,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,但所用外部元件數量較多,系統開銷較大。穩定性不高。為了解決傳統方案的不足,本文討論以集成以太網MAC層和物理層的16位單片機MC9S12NE64來實現單器件以太網連接。與多器件方案相比.單器件連接方案具有所用外部元件少、系統開銷小、穩定性高、設計時間短等一系列優點。 2 MC9S12NE64簡介   MC9S12NE64是Freescale公司生產的基於HCSl2 CPU內核的16位單片機,利用它可以方便地實現單器件以太網連接,構成一個完整的終端節點。MC9S12NE64的內部功能模塊框圖如圖1所示,主要特性如下:   採用高性能16位HCSl2CPU內核,3.3V下工作頻率可達25MHz或10MIPS,具有優化的C語言體系結構,可以生成十分簡潔的代碼。   帶有片上調試接口,可以進行實時在線仿真和調試,而無需仿真器。   集成了64KB的nash內存和8KB的靜態RAM,能夠滿足大多數的應用場合。如果需要還可進行外部擴展。   集成了10/100Mbps以太網媒介訪問控制器(EMAC),內置標準的媒介獨立接口(MII),可以實現地址識別及過濾、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緩衝區,包括一個發送緩衝區和兩個接收緩衝區,MC9S12NE64的RAM以2倍於CPU的速度運行,使得CPU和EMAC緩衝區可以交叉存取數據。   集成了10/100Mbps以太網物理層(EPHY),支持自動協商模式,支持半雙工和全雙工的通信。並具有自診斷功能。   帶有8通道10位模數轉換器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絡終端節點,如網絡服務器、帶因特網功能的設備、遠程監控(數據採集,診斷)、對現場設備的遠程控制、遠程設備通過電子郵件或文字尋呼機發送消息等。   基於MC9S12NE64最少外圍器件的系統硬件電路原理圖如圖2所示。此最小系統由80引腳的MC9S12NE64與外圍器件組成,電路中帶有背景調試接頭J1;5個LED狀態指示燈(分別用來顯示網絡連接狀態,包括EPHY是否衝突、連接是否建立、是否接收數據、連接速度、雙工模式);必需的偏置電阻R5;高速局域網電磁隔離模塊(即RJ45以太網接口)。其中PHY_TXP和PHY_TXN為發送線,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對物理層規範的要求,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於300mA。設計時還應注意系統時鐘的要求,MC9S12NE64只支持皮爾斯型振蕩電路,晶振的精度應高於25ppm。系統中MC9S12NE64工作在正常的單片模式,其內部穩壓電源處於工作狀態。 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生器模塊來產生25MHz的內部總線時鐘,這一過程通過設置時鐘及復位發生器(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)配置自動協商模式。設置EPHYCTL0寄存器的ANDIS位為0.使用自動協商模式。   (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EMAC和EPHY間的介質無關接口(MII)操作。   (6)設置MCMST寄存器的MDCSEL位為0xA,來配置EMAC管理數據時鐘(EMACMDC)。   (7)設置BUFCFG寄存器的BUFMAP位來配置EMAC以太網緩衝區的大小。BUFMAP的值用來確定系統RAM中用戶RAM和EMAC緩衝區的比例。BUFMAP最大為4,這時單個緩衝區的大小為1.5K字節,正好可以存放一個最大的以太網幀。大於緩衝區大小的數據包將被過濾掉,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,使緩衝區起到了數據過濾的作用。   (8)通過MACAD寄存器來配置6字節的MAC地址。如果設備不連接到因特網,則MAC地址可自行定義。   (9)設置ETCTL寄存器為0x17來控制網絡上傳輸的數據類型。   (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。如果不是自動協商模式,則還需要設置RFCE位來實現接收流控制。   (11)設置NETCTL寄存器為0x81來配置EMAC的工作模式,並使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時間。   (14)設置系統中斷為允許系統中斷。   (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時鐘發生器。當自動協商完成且連接建立後,協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間的數據接收和發送。要實現系統與以太網上其他設備(如PC機)的通信,只需要實現TCP/IP協議棧就可以了。由於單片機內部資源的不足,難以支持完整的TCP/IP協議棧,故針對各個系統的特點和功能來設定特定的TCP/IP協議棧,僅實現與需要相關的協議即可,如ARP協議、IP協議、ICMP協議、TCP協議、UDP協議、SMTP協議、HTYP協議等。   系統初始化後進入主程序循環,包括單片機的控制作用和網絡數據傳輸。對於以太網傳輸部分來說.主要有兩個作用:一是對要發送的數據按照以太網數據幀格式進行封裝並發送;二是對接收的以太網數據幀進行解包供應用程序使用。主程序通過嵌入TCP/IP協議來實現單片機的以太網通信。 4 結束語   筆者用MC9S12NE64型16位單片機實現了基於TCP/IP協議的嵌入式以太網通信。隨著數字化、智能化儀器的飛速發展,採用以太網進行通信的應用將會越來越廣泛。MC9S12NE64內置了以太網MAC層和物理層,用它可以方便地實現單電路以太網連接。適用於工業控制、保安系統、用戶卡表、商業自動化、樓宇控制、照明管理、醫療檢測、自動售貨機環境監控器、銷售設備終端和家庭自動化等