摘 要：分析基于單片機(jī)的以太網(wǎng)連接方案，介紹MC9S12NE64型16位單片機(jī)的特性及其最小系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，給出MC9S12NE64的初始化過程、主程序和TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)的思想。 關(guān)鍵詞：MC9S12NE64;單片機(jī);嵌入式系統(tǒng);以太網(wǎng);TCP/IP 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)（EtImmet）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?？梢允共煌木W(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)互連、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HCSl2 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HCSl2CPU內(nèi)核，3.3V下工作頻率可達(dá)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)時在線仿真和調(diào)試，而無需仿真器。 　　集成了64KB的nash內(nèi)存和8KB的靜態(tài)RAM，能夠滿足大多數(shù)的應(yīng)用場合。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)，MC9S12NE64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(shè)接口（SPI）、1個具有256種時鐘速度選項(xiàng)的I2C接口，具備使用鎖相回路的時鐘及復(fù)位發(fā)生器（CRG）模塊，有多達(dá)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(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）、對現(xiàn)場設(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MC9S12NE64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(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，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(yīng)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(fù)載電流不小于300mA。設(shè)計(jì)時還應(yīng)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(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)為兩個獨(dú)立的模塊，但如果用到內(nèi)部的EPHY，則EMAC和EPHY必須同時進(jìn)行初始化。 　　MC9S12NE64的初始化過程如下： 　　（1）初始化時鐘及復(fù)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(shè)置時鐘及復(fù)位發(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。 　?。?）配置自動協(xié)商模式。設(shè)置EPHYCTL0寄存器的ANDIS位為0.使用自動協(xié)商模式。 　　（5）設(shè)置EPHYCTL0寄存器的LEDEN位為1允許EPHY驅(qū)動LED信號。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。 　?。?）設(shè)置MCMST寄存器的MDCSEL位為0xA，來配置EMAC管理數(shù)據(jù)時鐘（EMACMDC）。 　?。?）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(shè)計(jì)時應(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。 　?。?）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。 　?。?）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。 　?。?0）通過設(shè)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(xié)商模式，則還需要設(shè)置RFCE位來實(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。 　?。?2）設(shè)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(yīng)的位置1。 　?。?3）設(shè)置TXCTS寄存器的PTRC位和設(shè)置PTI-ME寄存器來初始化和傳遞暫停持續(xù)時間。 　　（14）設(shè)置系統(tǒng)中斷為允許系統(tǒng)中斷。 　?。?5）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。 　?。?6）在自動協(xié)商模式下，通過設(shè)置EPHYCTL0寄存器的DIS10和DIS100位為0來啟動EPHY時鐘發(fā)生器。當(dāng)自動協(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)部資源的不足，難以支持完整的TCP/IP協(xié)議棧，故針對各個系統(tǒng)的特點(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、HTYP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(jìn)行封裝并發(fā)送;二是對接收的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解包供應(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)用將會越來越廣泛。MC9S12NE64內(nèi)置了以太網(wǎng)MAC層和物理層，用它可以方便地實(shí)現(xiàn)單電路以太網(wǎng)連接。適用于工業(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(jī)環(huán)境監(jiān)控器、銷售設(shè)備終端和家庭自動化等。