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引言 隨著網(wǎng)絡應用的推廣，網(wǎng)絡的概念逐漸由PC向工控模塊上轉(zhuǎn)移，如何充分利用網(wǎng)絡協(xié)議，進行數(shù)據(jù)采集或者遠程控制越來越受到了行業(yè)的關(guān)注。 進行以太網(wǎng)服務器的開發(fā)時，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)設計應用的領(lǐng)域，選擇速度資源合適的控制芯片，和外擴芯片配合，達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，以此開發(fā)的系統(tǒng)當然會在靈活性方面更勝一籌。Freescale公司在最近推出的網(wǎng)絡芯片MC9S12NE64便是在集成度方面的一次開拓性嘗試。 MC9S12NE64單片機特點 MC9S12NE64是Freescale公司在2004年推出的一款S12系列的網(wǎng)絡單片機。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)動模塊，兼容IEEE 802.3標準。和常用的網(wǎng)卡芯片一樣，NE64的工作模式能夠設定為10Mbps / 100Mbps全雙工/半雙工，并且擁有自適應的功能，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)的設計，一般網(wǎng)卡芯片使用FIFO作為緩沖區(qū)，這種設計可以最大限度的發(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大小可以用戶設定。因為用于控制，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包一般少用到1.5KB的最大傳輸，所以這種用戶設定大小的緩沖RAM帶來了應用上的靈活性，而節(jié)約下來的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），總線時鐘可以達到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)絡應用領(lǐng)域取代以往的外擴芯片設計模式。 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SCI、1個SPI、1個I2C），以及一些單片機常用模塊，如定時器、振蕩器等，功能足夠強大。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展用的幾組I/O，便于總線的擴展。 在線開發(fā)方法 對于新型單片機，最重要的是要熟知它的特性，建立開發(fā)環(huán)境，然后著手開發(fā)。筆者制作了基于NE64的硬件開發(fā)平臺，同時繼承實驗室以前的積累，編寫了片上調(diào)試監(jiān)控程序，用于軟件調(diào)試。以此為開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)了一個以太網(wǎng)服務器，用于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和串口數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，詳細介紹如下。 硬件開發(fā) 開發(fā)平臺 首先為NE64制作了一個開發(fā)平臺，這是實現(xiàn)NE64最基本功能的核心子板，除了最基本的電源和時鐘電路之外，子板上還有RS232和以太網(wǎng)的硬件驅(qū)動電路。開發(fā)平臺的硬件示意圖如圖1所示。 圖1 開發(fā)平臺硬件示意圖 其中，電源部分使用了一片LM1086，用來把供電變壓器的5V電源轉(zhuǎn)成3.3V給系統(tǒng)供電。RS232驅(qū)動部分使用MAX3232，用來轉(zhuǎn)換RS232的電平。網(wǎng)口部分采用了一個內(nèi)置隔離變壓器的RJ45頭。因為板子只是一個實現(xiàn)了基本功能的系統(tǒng)，所以單片機還有很多功能引腳暫且沒有用到，這些引腳通過兩個32引腳的歐式插座引了出來，用戶可以根據(jù)引腳定義制作相應母板，完成更多功能的開發(fā)。 下載工具 在開發(fā)學習中，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，總是需要一個下載工具來把用戶的程序下載到單片機內(nèi)部，因此又需要一個具有下載功能的編程器。針對這個要求，我們自行制作了一個BDM下載工具，俗稱BDM頭。 下載工具的硬件電路基本和開發(fā)平臺一樣，只是去掉了不需要的以太網(wǎng)驅(qū)動和歐式插座部分，僅用NE64單片機的一個I/O引腳實現(xiàn)和目標機的通信。軟件部分是根據(jù)芯片手冊寫的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。因為2個MCU具有速度相同的時鐘，通信程序相當簡單。 軟件開發(fā) 開發(fā)方式 S12系列單片機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的Flash中，以及最終擦除監(jiān)控程序并下載最終的應用程序，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方開發(fā)的各種商用BDM調(diào)試工具。繼承實驗室的積累，筆者針對NE64開發(fā)平臺編寫了相應監(jiān)控程序，可以完成片內(nèi)Flash擦除、用戶程序下載、斷點設置、寄存器顯示、修改，存儲區(qū)顯示修改等，用來做程序開發(fā)，這些功能基本夠用了。監(jiān)控指令的詳細說明，可以訪問www.tsinghua-mot.net 網(wǎng)站。監(jiān)控程序?qū)嶋H上也是一個用戶程序，它通過串口與用戶交互。監(jiān)控程序它接收來自串口的命令，執(zhí)行相應的操作，達到調(diào)試的目的。使用監(jiān)控程序開發(fā)應用程序，完全是在線的，是用單片機自己調(diào)試自己，調(diào)試功能的強弱取決于監(jiān)控命令的多少。缺點是監(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。 應用實例 基于上面的開發(fā)平臺，我們完成了一個以太網(wǎng)服務應用器的開發(fā)實例，它是一個RS232與以太網(wǎng)之間進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的模塊。由于目前在工控領(lǐng)域，串行接口的應用還是很普遍的，不可能短時間內(nèi)完成升級，想要把已有的串行接口設備接入以太網(wǎng)，就需要一個“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，同時把串口的數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)上。 此服務器主要的工作是使用UDP或者TCP來收發(fā)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，對協(xié)議棧的齊備性要求不高，因此筆者使用一個uC/IP的精簡版本作為以太網(wǎng)操作的協(xié)議棧。整體程序基于中斷設計而成，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軟件的基礎(chǔ)，可以提高程序運行效率。詳細的流程圖圖2所示。 圖2 應用程序流程圖 當系統(tǒng)上電完成各種初始化之后，就進入了循環(huán)等待中斷的狀態(tài)。此時當以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)包發(fā)送到交互工具的時候，會觸發(fā)一次以太網(wǎng)接收的中斷，在中斷程序中，系統(tǒng)首先存儲遠端地址，然后調(diào)用協(xié)議棧進行解包分析，把有用數(shù)據(jù)通過SCI發(fā)送給串口；同時當串口數(shù)據(jù)通過SCI中斷接收進來的時候，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)遠端地址。這樣，系統(tǒng)不停的接收以太網(wǎng)上發(fā)來的數(shù)據(jù)，把它轉(zhuǎn)換給串口，同時接收串口的數(shù)據(jù)，把它發(fā)送到以太網(wǎng)上。作為一個開發(fā)實例，這個系統(tǒng)的穩(wěn)定性還是不錯的，筆者把它接入所在局域網(wǎng)，網(wǎng)絡環(huán)境不是很好，但在測試的48小時之內(nèi)它的工作都是正常的。當然，如果要制作一個完備的產(chǎn)品，這樣一個協(xié)議處理顯得比較簡陋了，還需要進一步完善。 協(xié)議棧運用 進行網(wǎng)絡應用的開發(fā)，最關(guān)鍵在于根據(jù)本身資源選擇一個比較合適的協(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用對協(xié)議棧的完備性要求不是很高，因此可以選擇使用開放源代碼的免費協(xié)議棧。Freescale為NE64選定了一個開放源代碼的協(xié)議棧OpenTCP，他們與Viola Systems公司合作，已經(jīng)把OpenTCP開放源碼移植到了NE64。用戶可以到www.freescale.com或者[url]www.opentcp.org[/url]網(wǎng)站上下載開發(fā)源代碼。如果不用OpenTCP協(xié)議棧，別的一些開放源碼，諸如lwIP，uC/IP等，也都是較好的選擇。 結(jié)語 本文介紹了一款內(nèi)部集成了以太網(wǎng)模塊的單片機，以及其開發(fā)方式和網(wǎng)絡設計應用，希望給讀者帶來以太網(wǎng)開發(fā)方面的新思路。MC9S12NE64內(nèi)部集成以太網(wǎng)模塊的嘗試是對芯片集成化方向的一次開拓，或許NE64比起擴展式的網(wǎng)絡模塊設計方案有些欠缺，但面向中低端網(wǎng)絡應用領(lǐng)域，其單片方式帶來的靈活性與電磁兼容性還是頗具特色的。 參考文獻： 1， 邵貝貝，‘單片機嵌入式應用的在線開發(fā)方法’，清華大學出版社，2004 2， W.Richard Stevens著，范建華等譯，TCP/IP詳解，北京，機械工業(yè)出版社，2000 |
