基于MC9S12NE64型单片机的嵌入式以太网连接

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（ethernet）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联、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hcs12 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hcs12cpu内核，3.3v下工作频率可达到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flash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，mc9s12n64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（adc）、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bc9s12ne64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服务发生器（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、ephyadd1、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（emac mdc）。
（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、conmc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ptime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、http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共应用程序使用。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层核物理层，用它可以方便地实现单电路以太网连接。使用于工业控制、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。