基于MC9S12NE64單片機(jī)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)服務(wù)應(yīng)用器的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

引言

隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的推廣，網(wǎng)絡(luò)的概念逐漸由PC向工控模塊上轉(zhuǎn)移，如何充分利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集或者遠(yuǎn)程控制越來(lái)越受到了行業(yè)的關(guān)注。

進(jìn)行以太網(wǎng)服務(wù)器的開(kāi)發(fā)時(shí)，一般的做法是MCU或者DSP加上網(wǎng)卡芯片。這樣做可以根據(jù)設(shè)計(jì)應(yīng)用的領(lǐng)域，選擇速度資源合適的控制芯片，和外擴(kuò)芯片配合，達(dá)到功能和成本的最優(yōu)化。如果控制芯片中能夠集成以太網(wǎng)的MAC層和PHY層，以此開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)當(dāng)然會(huì)在靈活性方面更勝一籌。Freescale公司在最近推出的網(wǎng)絡(luò)芯片MC9S12NE64便是在集成度方面的一次開(kāi)拓性嘗試。

MC9S12NE64單片機(jī)特點(diǎn)

MC9S12NE64是Freescale公司在2004年推出的一款S12系列的網(wǎng)絡(luò)單片機(jī)。它內(nèi)部集成了以

太網(wǎng)控制模塊和以太網(wǎng)物理層驅(qū)動(dòng)模塊，兼容IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)。和常用的網(wǎng)卡芯片一樣，NE64的工作模式能夠設(shè)定為10Mbps / 100Mbps全雙工/半雙工，并且擁有自適應(yīng)的功能，可以滿足不同物理環(huán)境的要求。

NE64芯片與一般網(wǎng)卡芯片不同的是它的以太網(wǎng)緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)，一般網(wǎng)卡芯片使用FIFO作為緩沖區(qū)，這種設(shè)計(jì)可以最大限度的發(fā)揮緩沖區(qū)的作用。NE64內(nèi)部則是使用3塊RAM作為緩沖區(qū)，兩塊用于接收，一塊用于發(fā)送，而且RAM大小可以用戶設(shè)定。因?yàn)橛糜诳刂?，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包一般少用到1.5KB的最大傳輸，所以這種用戶設(shè)定大小的緩沖RAM帶來(lái)了應(yīng)用上的靈活性，而節(jié)約下來(lái)的RAM也可以被用戶程序使用。

NE64的CPU是速度為50MHz的明星內(nèi)核（Star Core），總線時(shí)鐘可以達(dá)到25MHz，此外它還有8KB的片內(nèi)RAM和64KB的片內(nèi)Flash，因此只是一塊NE64芯片，就可以在眾多中低端網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域取代以往的外擴(kuò)芯片設(shè)計(jì)模式。

除了以上資源以外，MC9S12NE64內(nèi)部還集成8路10位ADC，各種串口（2個(gè)SCI、1個(gè)SPI、1個(gè)I2C），以及一些單片機(jī)常用模塊，如定時(shí)器、振蕩器等，功能足夠強(qiáng)大。NE64的封裝形式有112引腳LQFP和80引腳QFP兩種，112引腳的封裝形式引出了總線擴(kuò)展用的幾組I/O，便于總線的擴(kuò)展。

在線開(kāi)發(fā)方法

對(duì)于新型單片機(jī)，最重要的是要熟知它的特性，建立開(kāi)發(fā)環(huán)境，然后著手開(kāi)發(fā)。筆者制作了基于NE64的硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，同時(shí)繼承實(shí)驗(yàn)室以前的積累，編寫了片上調(diào)試監(jiān)控程序，用于軟件調(diào)試。以此為開(kāi)發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)以太網(wǎng)服務(wù)器，用于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和串口數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，詳細(xì)介紹如下。

硬件開(kāi)發(fā)

開(kāi)發(fā)平臺(tái)

首先為NE64制作了一個(gè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，這是實(shí)現(xiàn)NE64最基本功能的核心子板，除了最基本的電源和時(shí)鐘電路之外，子板上還有RS232和以太網(wǎng)的硬件驅(qū)動(dòng)電路。開(kāi)發(fā)平臺(tái)的硬件示意圖如圖1所示。

圖1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)硬件示意圖

其中，電源部分使用了一片LM1086，用來(lái)把供電變壓器的5V電源轉(zhuǎn)成3.3V給系統(tǒng)供電。RS232驅(qū)動(dòng)部分使用MAX3232，用來(lái)轉(zhuǎn)換RS232的電平。網(wǎng)口部分采用了一個(gè)內(nèi)置隔離變壓器的RJ45頭。因?yàn)榘遄又皇且粋€(gè)實(shí)現(xiàn)了基本功能的系統(tǒng)，所以單片機(jī)還有很多功能引腳暫且沒(méi)有用到，這些引腳通過(guò)兩個(gè)32引腳的歐式插座引了出來(lái)，用戶可以根據(jù)引腳定義制作相應(yīng)母板，完成更多功能的開(kāi)發(fā)。

下載工具

在開(kāi)發(fā)學(xué)習(xí)中，使用調(diào)試監(jiān)控程序已經(jīng)能夠滿足調(diào)試的要求了，但是在產(chǎn)品使用中，總是需要一個(gè)下載工具來(lái)把用戶的程序下載到單片機(jī)內(nèi)部，因此又需要一個(gè)具有下載功能的編程器。針對(duì)這個(gè)要求，我們自行制作了一個(gè)BDM下載工具，俗稱BDM頭。

下載工具的硬件電路基本和開(kāi)發(fā)平臺(tái)一樣，只是去掉了不需要的以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)和歐式插座部分，僅用NE64單片機(jī)的一個(gè)I/O引腳實(shí)現(xiàn)和目標(biāo)機(jī)的通信。軟件部分是根據(jù)芯片手冊(cè)寫的B

DM功能程序，使此下載工具可以完成最基本的擦除和下載功能。因?yàn)?個(gè)MCU具有速度相同的時(shí)鐘，通信程序相當(dāng)簡(jiǎn)單。

軟件開(kāi)發(fā)

開(kāi)發(fā)方式

S12系列單片機(jī)的程序編譯可以使用Metrowerks公司的CoderWarrior系列編譯軟件，它的各種限制版本可在Freescale的網(wǎng)站www.freescale.com下載。

BDM頭的主要用途是首先將監(jiān)控程序下載到單片機(jī)的Flash中，以及最終擦除監(jiān)控程序并下載最終的應(yīng)用程序，BDM頭也可用于軟件調(diào)試。BDM頭可以自己制作，也可以買到第3方開(kāi)發(fā)的各種商用BDM調(diào)試工具。繼承實(shí)驗(yàn)室的積累，筆者針對(duì)NE64開(kāi)發(fā)平臺(tái)編寫了相應(yīng)監(jiān)控程序，可以完成片內(nèi)Flash擦除、用戶程序下載、斷點(diǎn)設(shè)置、寄存器顯示、修改，存儲(chǔ)區(qū)顯示修改等，用來(lái)做程序開(kāi)發(fā)，這些功能基本夠用了。監(jiān)控指令的詳細(xì)說(shuō)明，可以訪問(wèn)www.tsinghua-mot.net 網(wǎng)站。監(jiān)控程序?qū)嶋H上也是一個(gè)用戶程序，它通過(guò)串口與用戶交互。監(jiān)控程序它接收來(lái)自串口的命令，執(zhí)行相應(yīng)的操作，達(dá)到調(diào)試的目的。使用監(jiān)控程序開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，完全是在線的，是用單片機(jī)自己調(diào)試自己，調(diào)試功能的強(qiáng)弱取決于監(jiān)控命令的多少。缺點(diǎn)是監(jiān)控程序本身要占用一些RAM、Flash資源。我們的NE64 監(jiān)控程序占用了8K的Flash和32B RAM空間，相對(duì)于NE64所擁有的64KB Flash和8KB RAM，這些資源占用量是可以接受的。

應(yīng)用實(shí)例

基于上面的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，我們完成了一個(gè)以太網(wǎng)服務(wù)應(yīng)用器的開(kāi)發(fā)實(shí)例，它是一個(gè)RS232與以太網(wǎng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的模塊。由于目前在工控領(lǐng)域，串行接口的應(yīng)用還是很普遍的，不可能短時(shí)間內(nèi)完成升級(jí)，想要把已有的串行接口設(shè)備接入以太網(wǎng)，就需要一個(gè)“黑盒子”接在串口和以太網(wǎng)之間，把以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)給串口，同時(shí)把串口的數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)上。

此服務(wù)器主要的工作是使用UDP或者TCP來(lái)收發(fā)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，對(duì)協(xié)議棧的齊備性要求不高，因此筆者使用一個(gè)uC/IP的精簡(jiǎn)版本作為以太網(wǎng)操作的協(xié)議棧。整體程序基于中斷設(shè)計(jì)而成，這是考慮到NE64的MAC層可以產(chǎn)生接受中斷，串口使用的SCI模塊也可以產(chǎn)生中斷，因此選擇中斷作為整個(gè)軟件的基礎(chǔ)，可以提高程序運(yùn)行效率。詳細(xì)的流程圖圖2所示。

圖2 應(yīng)用程序流程圖

當(dāng)系統(tǒng)上電完成各種初始化之后，就進(jìn)入了循環(huán)等待中斷的狀態(tài)。此時(shí)當(dāng)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)包發(fā)送到交互工具的時(shí)候，會(huì)觸發(fā)一次以太網(wǎng)接收的中斷，在中斷程序中，系統(tǒng)首先存儲(chǔ)遠(yuǎn)端地址，然后調(diào)用協(xié)議棧進(jìn)行解包分析，把有用數(shù)據(jù)通過(guò)SCI發(fā)送給串口；同時(shí)當(dāng)串口數(shù)據(jù)通過(guò)SCI中斷接收進(jìn)來(lái)的時(shí)候，系統(tǒng)調(diào)用協(xié)議棧，把數(shù)據(jù)發(fā)送到暫存的以太網(wǎng)遠(yuǎn)端地址。這樣，系統(tǒng)不停的接收以太網(wǎng)上發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，把它轉(zhuǎn)換給串口，同時(shí)接收串口的數(shù)據(jù)，把它發(fā)送到以太網(wǎng)上。作為一個(gè)開(kāi)發(fā)實(shí)例，這個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性還是不錯(cuò)的，筆者把它接入所在局域網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不是很好，但在測(cè)試的48小時(shí)之內(nèi)它的工作都是正常的。當(dāng)然，如果要制作一個(gè)完備的產(chǎn)品，這樣一個(gè)協(xié)議處理顯得比較簡(jiǎn)陋了，還需要進(jìn)一步完善。

協(xié)議棧運(yùn)用

進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，最關(guān)鍵在于根據(jù)本身資源選擇一個(gè)比較合適的協(xié)議棧。由于MC9S12NE64的資源比較豐富，足以支持大部分的嵌入式協(xié)議棧。

目前商業(yè)化的協(xié)議棧一般比較昂貴，鑒于一般嵌入式的應(yīng)用對(duì)協(xié)議棧的完備性要求不是很高，因此可以選擇使用開(kāi)放源代碼的免費(fèi)協(xié)議棧。Freescale為NE64選定了一個(gè)開(kāi)放源代碼的協(xié)議棧OpenTCP，他們與Viola Systems公司合作，已經(jīng)把OpenTCP開(kāi)放源碼移植到了NE64。

結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一款內(nèi)部集成了以太網(wǎng)模塊的單片機(jī)，以及其開(kāi)發(fā)方式和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)用，希望給讀者帶來(lái)以太網(wǎng)開(kāi)發(fā)方面的新思路。MC9S12NE64內(nèi)部集成以太網(wǎng)模塊的嘗試是對(duì)芯片集成化方向的一次開(kāi)拓，或許NE64比起擴(kuò)展式的網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)方案有些欠缺，但面向中低端網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域，其單片方式帶來(lái)的靈活性與電磁兼容性還是頗具特色的。

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