作者：武漢理工大學自動化學院  胡榮強，李濤，徐丹

    摘要：分析基于單片機的以太網連接方案，介紹MC9S12NE64型16位單片機的特性及其最小系統的硬件設計，給出MC9S12NE64的初始化過程、主程序和TCP／ip協議棧實現的思想。

    要害詞：MC9S12NE64；單片機；嵌入式系統；以太網；TCP/IP

    中圖分類號：TN913．2文獻標識碼：B文章編號：1006—6977(2006)0l一0044一03

    1  引言

    隨著互聯網的出現和以太網的迅速發展，基于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)已經廣泛地應用于各種計算機網絡，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公司生產的基于HCSl2CPU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：

    采用高性能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。假如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8KBRAM共用可配置的EMAC緩沖區，包括一個發送緩沖區和兩個接收緩沖區，MC9S12NE64的RAM以2倍于CPU的速度運行，使得CPU和EMAC緩沖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。并具有自診斷功能。

    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(數據采集，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。

    基于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是否沖突、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。設計時還應注重系統時鐘的要求，MC9S12NE64只支持皮爾斯型振蕩電路，晶振的精度應高于25ppm。系統中MC9S12NE64工作在正常的單片模式，其內部穩壓電源處于工作狀態。

    3．2MC9S12NE64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，但假如用到內部的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答應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治理數據時鐘(EMACMDC)。

    (7)設置BUFCFG寄存器的BUFMAP位來配置EMAC以太網緩沖區的大小。BUFMAP的值用來確定系統RAM中用戶RAM和EMAC緩沖區的比例。BUFMAP最大為4，這時單個緩沖區的大小為1.5K字節，正好可以存放一個最大的以太網幀。大于緩沖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，使緩沖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。假如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。假如不是自動協商模式，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，并使EMAC正常工作。

    (12)設置IMASK寄存器來配置答應的EMAC中斷信號，如需要答應某種中斷請求信號，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)設置系統中斷為答應系統中斷。

    (15)通過EMACMII治理接口來設置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后，協商暫定和雙工設置由EPHYMII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。由于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。

    系統初始化后進入主程序循環，包括單片機的控制作用和網絡數據傳輸。對于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并發送；二是對接收的以太網數據幀進行解包供給用程序使用。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位單片機實現了基于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，采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。適用于工業控制、保安系統、用戶卡表、商業自動化、樓宇控制、照明治理、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。