基于MC9S12NE64型單片機的嵌入式以太網(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)互聯(lián)、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hcs12 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(gòu)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hcs12cpu內(nèi)核，3.3v下工作頻率可達到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，可以進行實時在線仿真和調(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)，mc9s12n64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(zhuǎn)換器（adc）、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(gòu)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bc9s12ne64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服務發(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、ephyadd1、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(qū)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（emac mdc）。
（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、conmc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ptime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、http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)幀進行解包共應用程序使用。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(jié)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層核物理層，用它可以方便地實現(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。