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MC9S12NE64型单片机的嵌入式以太网连接
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摘要：分析基于单片机的以太网连接方案，介绍MC9S12NE64型16位单片机的特性及其最小系统的硬件设计，给出MC9S12NE64的初始化过程、主程序和TCP／IP协议栈实现的思想。
关键词：MC9S12NE64；单片机；嵌入式系统；以太网；TCP/IP
中图分类号：TN913．2 文献标识码：B 文章编号：1006—6977(2006)0l一0044一03
1 引言
随着互联网的出现和以太网的迅速发展，基于以太网的设备控制越来越多，发展也越来越快。目前，以太网(EtImmet)已经广泛地应用于各种计算机网络，通过以太网及TCP／IP协议栈可以使不同的网络设备实现互连、交换数据。
用以太网实现嵌入式系统的网络连接有多种方案。传统的多器件以太网连接方案是通过MCU扩展以太网控制器来实现的，必要时还需要扩展外部RAM和ROM。虽然这种方案应用起来不是很困难，但所用外部元件数量较多，系统开销较大。稳定性不高。为了解决传统方案的不足，本文讨论以集成以太网MAC层和物理层的16位单片机MC9S12NE64来实现单器件以太网连接。与多器件方案相比．单器件连接方案具有所用外部元件少、系统开销小、稳定性高、设计时间短等一系列优点。
2 MC9S12NE64简介
MC9S12NE64是Freescale公司生产的基于HCSl2 CPU内核的16位单片机，利用它可以方便地实现单器件以太网连接，构成一个完整的终端节点。MC9S12NE64的内部功能模块框图如图1所示，主要特性如下：
采用高性能16位HCSl2CPU内核，3．3V下工作频率可达25MHz或10MIPS，具有优化的C语言体系结构，可以生成十分简洁的代码。
带有片上调试接口，可以进行实时在线仿真和调试，而无需仿真器。
集成了64KB的nash内存和8KB的静态RAM，能够满足大多数的应用场合。如果需要还可进行外部扩展。
集成了10／100Mbps以太网媒介访问控制器(EMAC)，内置标准的媒介独立接口(MII)，可以实现地址识别及过滤、以太类型过滤，支持半双工和全双工通信，具有和8KB RAM共用可配置的EMAC缓冲区，包括一个发送缓冲区和两个接收缓冲区，MC9S12NE64的RAM以2倍于CPU的速度运行，使得CPU和EMAC缓冲区可以交叉存取数据。
集成了10／100Mbps以太网物理层(EPHY)，支持自动协商模式，支持半双工和全双工的通信。并具有自诊断功能。
带有8通道10位模数转换器fADC)、4通道16位定时器、2个串行通信接口(SCI)，1个高速串行外设接口(SPI)、1个具有256种时钟速度选项的I2C接口，具备使用锁相回路的时钟及复位发生器(CRG)模块，有多达70个通用I／O口。具有80引脚TQFP-EP和112引脚LQFP两种封装。
3 MC9S12NE64的简单应用
3．1 硬件设计
利用MC9S12NE64可以构成不同功能的网络终端节点，如网络服务器、带因特网功能的设备、远程监控(数据采集，诊断)、对现场设备的远程控制、远程设备通过电子邮件或文字寻呼机发送消息等。
基于MC9S12NE64最少外围器件的系统硬件电路原理图如图2所示。此最小系统由80引脚的MC9S12NE64与外围器件组成，电路中带有背景调试接头J1；5个LED状态指示灯(分别用来显示网络连接状态，包括EPHY是否冲突、连接是否建立、是否接收数据、连接速度、双工模式)；必需的偏置电阻R5；高速局域网电磁隔离模块(即RJ45以太网接口)。其中PHY_TXP和PHY_TXN为发送线，PHY_RXP和PGY_RXN为接收线。设计时，MC9S12NE64的物理端口与隔离变压器连接时必须符合IEEE802.3对物理层规范的要求，如RJ45的插孔与隔离变压器的间隔应尽量小，输出和输入差分信号对的走线要很好的隔离，确保电源的额定负载电流不小于300mA。设计时还应注意系统时钟的要求，MC9S12NE64只支持皮尔斯型振荡电路，晶振的精度应高于25ppm。系统中MC9S12NE64工作在正常的单片模式，其内部稳压电源处于工作状态。
3．2 MC9S12NE64的初始化
MC9S12NE64单片机在工作之前。必须进行必要的初始化。主要包括时钟及复位发生器(CRG)模块、EMAC模块、EPHY模块等。虽然MC9S12NE64上的EMAC和EPHY被设计为两个独立的模块，但如果用到内部的EPHY，则EMAC和EPHY必须同时进行初始化。
MC9S12NE64的初始化过程如下：
(1)初始化时钟及复位发生器模块来产生25MHz的内部总线时钟，这一过程通过设置时钟及复位发生器(CRG)模块的寄存器表来完成。
(2)设置EPHYCTL0寄存器的DIS10和DIS100位为1，使EPHY时钟无效，直到EMAC和EPHY配置完毕。
(3)通过EPHYCTL1寄存器的：EPHYADD0、E-PHYADD1、EPHYADD2、EPHYADD3、EPHYADD4来配置MII请求的EPHY地址。
(4)配置自动协商模式。设置EPHYCTL0寄存器的ANDIS位为0．使用自动协商模式。
(5)设置EPHYCTL0寄存器的LEDEN位为1允许EPHY驱动LED信号。设置EPHYCTL0寄存器的EPHYIEN位为1使EPHY中断有效。设置
EPHYCTL0寄存器的EPHYEN位为1使EPHY有效工作，这样就可以实现EMAC和EPHY间的介质无关接口(MII)操作。
(6)设置MCMST寄存器的MDCSEL位为0xA，来配置EMAC管理数据时钟(EMACMDC)。
(7)设置BUFCFG寄存器的BUFMAP位来配置EMAC以太网缓冲区的大小。BUFMAP的值用来确定系统RAM中用户RAM和EMAC缓冲区的比例。BUFMAP最大为4，这时单个缓冲区的大小为1.5K字节，正好可以存放一个最大的以太网帧。大于缓冲区大小的数据包将被过滤掉，设计时应合理选择。设置BUFCFG寄存器的MAXFL位来指定接受的最大帧长度，使缓冲区起到了数据过滤的作用。
(8)通过MACAD寄存器来配置6字节的MAC地址。如果设备不连接到因特网，则MAC地址可自行定义。
(9)设置ETCTL寄存器为0x17来控制网络上传输的数据类型。
(10)通过设置RXCTL寄存器的PROM、CON-MC和BCREJ位来配置EMAC的MAC地址过滤模式。如果不是自动协商模式，则还需要设置RFCE位来实现接收流控制。
(11)设置NETCTL寄存器为0x81来配置EMAC的工作模式，并使EMAC正常工作。
(12)设置IMASK寄存器来配置允许的EMAC中断信号，如需要允许某种中断请求信号，则将相应的位置1。
(13)设置TXCTS寄存器的PTRC位和设置PTI-ME寄存器来初始化和传递暂停持续时间。
(14)设置系统中断为允许系统中断。
(15)通过EMAC MII管理接口来设置EPHY，包括设置速度、双工模式和流控制，设置EPHY中断控制寄存器来配置EPHY中断控制。
(16)在自动协商模式下，通过设置EPHYCTL0寄存器的DIS10和DIS100位为0来启动EPHY时钟发生器。当自动协商完成且连接建立后，协商暂定和双工设置由EPHY MII寄存器决定。EMAC必须由RXCTS寄存器的FRCE位和NETCTL的FDX位所设定的配置来更新协商暂定和双工设置。
至此。MC9S12NE64初始化完成，可以完成EMAC和EPHY间的数据接收和发送。要实现系统与以太网上其他设备(如PC机)的通信，只需要实现TCP/IP协议栈就可以了。由于单片机内部资源的不足，难以支持完整的TCP/IP协议栈，故针对各个系统的特点和功能来设定特定的TCP/IP协议栈，仅实现与需要相关的协议即可，如ARP协议、IP协议、ICMP协议、TCP协议、UDP协议、SMTP协议、HTYP协议等。
系统初始化后进入主程序循环，包括单片机的控制作用和网络数据传输。对于以太网传输部分来说．主要有两个作用：一是对要发送的数据按照以太网数据帧格式进行封装并发送；二是对接收的以太网数据帧进行解包供应用程序使用。主程序通过嵌入TCP/IP协议来实现单片机的以太网通信。
4 结束语
笔者用MC9S12NE64型16位单片机实现了基于TCP/IP协议的嵌入式以太网通信。随着数字化、智能化仪器的飞速发展，采用以太网进行通信的应用将会越来越广泛。MC9S12NE64内置了以太网MAC层和物理层，用它可以方便地实现单电路以太网连接。适用于工业控制、保安系统、用户卡表、商业自动化、楼宇控制、照明管理、医疗检测、自动售货机环境监控器、销售设备终端和家庭自动化等。
作者：武汉理工大学自动化学院 胡荣强，李涛，徐丹 来源：国外电子元器件
关键词：MC9S12NE64；单片机；嵌入式系统；以太网；TCP/IP
中图分类号：TN913．2 文献标识码：B 文章编号：1006—6977(2006)0l一0044一03
1 引言
随着互联网的出现和以太网的迅速发展，基于以太网的设备控制越来越多，发展也越来越快。目前，以太网(EtImmet)已经广泛地应用于各种计算机网络，通过以太网及TCP／IP协议栈可以使不同的网络设备实现互连、交换数据。
用以太网实现嵌入式系统的网络连接有多种方案。传统的多器件以太网连接方案是通过MCU扩展以太网控制器来实现的，必要时还需要扩展外部RAM和ROM。虽然这种方案应用起来不是很困难，但所用外部元件数量较多，系统开销较大。稳定性不高。为了解决传统方案的不足，本文讨论以集成以太网MAC层和物理层的16位单片机MC9S12NE64来实现单器件以太网连接。与多器件方案相比．单器件连接方案具有所用外部元件少、系统开销小、稳定性高、设计时间短等一系列优点。
2 MC9S12NE64简介
MC9S12NE64是Freescale公司生产的基于HCSl2 CPU内核的16位单片机，利用它可以方便地实现单器件以太网连接，构成一个完整的终端节点。MC9S12NE64的内部功能模块框图如图1所示，主要特性如下：
采用高性能16位HCSl2CPU内核，3．3V下工作频率可达25MHz或10MIPS，具有优化的C语言体系结构，可以生成十分简洁的代码。
带有片上调试接口，可以进行实时在线仿真和调试，而无需仿真器。
集成了64KB的nash内存和8KB的静态RAM，能够满足大多数的应用场合。如果需要还可进行外部扩展。
集成了10／100Mbps以太网媒介访问控制器(EMAC)，内置标准的媒介独立接口(MII)，可以实现地址识别及过滤、以太类型过滤，支持半双工和全双工通信，具有和8KB RAM共用可配置的EMAC缓冲区，包括一个发送缓冲区和两个接收缓冲区，MC9S12NE64的RAM以2倍于CPU的速度运行，使得CPU和EMAC缓冲区可以交叉存取数据。
集成了10／100Mbps以太网物理层(EPHY)，支持自动协商模式，支持半双工和全双工的通信。并具有自诊断功能。
带有8通道10位模数转换器fADC)、4通道16位定时器、2个串行通信接口(SCI)，1个高速串行外设接口(SPI)、1个具有256种时钟速度选项的I2C接口，具备使用锁相回路的时钟及复位发生器(CRG)模块，有多达70个通用I／O口。具有80引脚TQFP-EP和112引脚LQFP两种封装。
3 MC9S12NE64的简单应用
3．1 硬件设计
利用MC9S12NE64可以构成不同功能的网络终端节点，如网络服务器、带因特网功能的设备、远程监控(数据采集，诊断)、对现场设备的远程控制、远程设备通过电子邮件或文字寻呼机发送消息等。
基于MC9S12NE64最少外围器件的系统硬件电路原理图如图2所示。此最小系统由80引脚的MC9S12NE64与外围器件组成，电路中带有背景调试接头J1；5个LED状态指示灯(分别用来显示网络连接状态，包括EPHY是否冲突、连接是否建立、是否接收数据、连接速度、双工模式)；必需的偏置电阻R5；高速局域网电磁隔离模块(即RJ45以太网接口)。其中PHY_TXP和PHY_TXN为发送线，PHY_RXP和PGY_RXN为接收线。设计时，MC9S12NE64的物理端口与隔离变压器连接时必须符合IEEE802.3对物理层规范的要求，如RJ45的插孔与隔离变压器的间隔应尽量小，输出和输入差分信号对的走线要很好的隔离，确保电源的额定负载电流不小于300mA。设计时还应注意系统时钟的要求，MC9S12NE64只支持皮尔斯型振荡电路，晶振的精度应高于25ppm。系统中MC9S12NE64工作在正常的单片模式，其内部稳压电源处于工作状态。
3．2 MC9S12NE64的初始化
MC9S12NE64单片机在工作之前。必须进行必要的初始化。主要包括时钟及复位发生器(CRG)模块、EMAC模块、EPHY模块等。虽然MC9S12NE64上的EMAC和EPHY被设计为两个独立的模块，但如果用到内部的EPHY，则EMAC和EPHY必须同时进行初始化。
MC9S12NE64的初始化过程如下：
(1)初始化时钟及复位发生器模块来产生25MHz的内部总线时钟，这一过程通过设置时钟及复位发生器(CRG)模块的寄存器表来完成。
(2)设置EPHYCTL0寄存器的DIS10和DIS100位为1，使EPHY时钟无效，直到EMAC和EPHY配置完毕。
(3)通过EPHYCTL1寄存器的：EPHYADD0、E-PHYADD1、EPHYADD2、EPHYADD3、EPHYADD4来配置MII请求的EPHY地址。
(4)配置自动协商模式。设置EPHYCTL0寄存器的ANDIS位为0．使用自动协商模式。
(5)设置EPHYCTL0寄存器的LEDEN位为1允许EPHY驱动LED信号。设置EPHYCTL0寄存器的EPHYIEN位为1使EPHY中断有效。设置
EPHYCTL0寄存器的EPHYEN位为1使EPHY有效工作，这样就可以实现EMAC和EPHY间的介质无关接口(MII)操作。
(6)设置MCMST寄存器的MDCSEL位为0xA，来配置EMAC管理数据时钟(EMACMDC)。
(7)设置BUFCFG寄存器的BUFMAP位来配置EMAC以太网缓冲区的大小。BUFMAP的值用来确定系统RAM中用户RAM和EMAC缓冲区的比例。BUFMAP最大为4，这时单个缓冲区的大小为1.5K字节，正好可以存放一个最大的以太网帧。大于缓冲区大小的数据包将被过滤掉，设计时应合理选择。设置BUFCFG寄存器的MAXFL位来指定接受的最大帧长度，使缓冲区起到了数据过滤的作用。
(8)通过MACAD寄存器来配置6字节的MAC地址。如果设备不连接到因特网，则MAC地址可自行定义。
(9)设置ETCTL寄存器为0x17来控制网络上传输的数据类型。
(10)通过设置RXCTL寄存器的PROM、CON-MC和BCREJ位来配置EMAC的MAC地址过滤模式。如果不是自动协商模式，则还需要设置RFCE位来实现接收流控制。
(11)设置NETCTL寄存器为0x81来配置EMAC的工作模式，并使EMAC正常工作。
(12)设置IMASK寄存器来配置允许的EMAC中断信号，如需要允许某种中断请求信号，则将相应的位置1。
(13)设置TXCTS寄存器的PTRC位和设置PTI-ME寄存器来初始化和传递暂停持续时间。
(14)设置系统中断为允许系统中断。
(15)通过EMAC MII管理接口来设置EPHY，包括设置速度、双工模式和流控制，设置EPHY中断控制寄存器来配置EPHY中断控制。
(16)在自动协商模式下，通过设置EPHYCTL0寄存器的DIS10和DIS100位为0来启动EPHY时钟发生器。当自动协商完成且连接建立后，协商暂定和双工设置由EPHY MII寄存器决定。EMAC必须由RXCTS寄存器的FRCE位和NETCTL的FDX位所设定的配置来更新协商暂定和双工设置。
至此。MC9S12NE64初始化完成，可以完成EMAC和EPHY间的数据接收和发送。要实现系统与以太网上其他设备(如PC机)的通信，只需要实现TCP/IP协议栈就可以了。由于单片机内部资源的不足，难以支持完整的TCP/IP协议栈，故针对各个系统的特点和功能来设定特定的TCP/IP协议栈，仅实现与需要相关的协议即可，如ARP协议、IP协议、ICMP协议、TCP协议、UDP协议、SMTP协议、HTYP协议等。
系统初始化后进入主程序循环，包括单片机的控制作用和网络数据传输。对于以太网传输部分来说．主要有两个作用：一是对要发送的数据按照以太网数据帧格式进行封装并发送；二是对接收的以太网数据帧进行解包供应用程序使用。主程序通过嵌入TCP/IP协议来实现单片机的以太网通信。
4 结束语
笔者用MC9S12NE64型16位单片机实现了基于TCP/IP协议的嵌入式以太网通信。随着数字化、智能化仪器的飞速发展，采用以太网进行通信的应用将会越来越广泛。MC9S12NE64内置了以太网MAC层和物理层，用它可以方便地实现单电路以太网连接。适用于工业控制、保安系统、用户卡表、商业自动化、楼宇控制、照明管理、医疗检测、自动售货机环境监控器、销售设备终端和家庭自动化等。
作者：武汉理工大学自动化学院 胡荣强，李涛，徐丹 来源：国外电子元器件
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