用MSP430實現(xiàn)的嵌入式因特網(wǎng)終端設計
| 1. 介紹 計算機通信系統(tǒng)尤其是因特網(wǎng)在日常生活中的作用越來越重要，并且呈加速發(fā)展的趨勢。如今，上網(wǎng)不再是個 人電腦和網(wǎng)絡工作站的專利，很多用微控制器（或稱單片機）控制的嵌入式系統(tǒng)也成為了因特網(wǎng)網(wǎng)絡節(jié)點中的一 員，通常，這種嵌入式系統(tǒng)可稱為嵌入式因特網(wǎng)終端。試想，如果通過網(wǎng)頁瀏覽器，能夠完成對遠處的微控制器控 制，并能夠接收到微控制器采集的信號，那將給人們的生活帶來很大的便利和極大地推動生產(chǎn)力的發(fā)展。打個比 方，如果通過辦公室的一臺連接到因特網(wǎng)的電腦和安裝在家里的嵌入式控制器，人們就可以了解到家里或者發(fā)生的 一切，那么家居防盜等一系列問題將會等到很好的解決。 MSP430是由于TI（Texas Instruments，美國德州儀器公司）開發(fā)的16位微處理器，其突出的特點是強調(diào)低功 耗，非常適用于各種低功率要求的應用，有多個系列和型號。由于其性價比比較高，所以，被廣泛應用于家居自動 化，醫(yī)療設備，安防系統(tǒng)，樓宇控制系統(tǒng)等許多領(lǐng)域當中。本因特網(wǎng)終端設計方案中使用的MSP430F149是TI公司于 2000年增加的MSP430F1X中的一員。 2. 協(xié)議基礎(chǔ) ISO（Internet Standard Organization，國際標準組織）于1981年提出了OSI（Open System Interconnect， 開放系統(tǒng)互連）七層網(wǎng)絡模型。七層網(wǎng)絡模型的******優(yōu)點是將服務、接口和協(xié)議這三個概念明確地區(qū)分開來：服務 說明某一層為上一層提供一些什么功能，接口說明上一層如何使用下層的服務，而協(xié)議涉及如何實現(xiàn)本層的服務。 因特網(wǎng)采用的四層網(wǎng)絡模型是OSI七層網(wǎng)絡模型的一個子集，其具體的四層：應用層、傳輸層、因特網(wǎng)層和網(wǎng) 絡層，圖1為因特網(wǎng)的四層網(wǎng)絡模型與OSI七層網(wǎng)絡模型的對應關(guān)系圖。因特網(wǎng)模型通過數(shù)據(jù)分段(Segment)中的序 列號保證所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以在遠端按照正常的次序進行重組，而且通過確認保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴?BR> 2.1 以太網(wǎng)（Ethernet）[1] 以太網(wǎng)是目前用得最廣泛的一種局域網(wǎng)，它在因特網(wǎng)四層網(wǎng)絡模型當中，屬于網(wǎng)絡層。以太網(wǎng)網(wǎng)絡中的每個節(jié) 點具有相同的訪問網(wǎng)絡的權(quán)利，它們之間對網(wǎng)絡占用是通過具有沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問( CSMA/CD )的方法 來實現(xiàn)的。數(shù)據(jù)采用曼徹斯特編碼，網(wǎng)絡中的連接一般采用雙絞線或同軸電纜。以太網(wǎng)中每個節(jié)點具有一個48位、 唯一編號的地址。每幀數(shù)據(jù)的******長度為1518個字節(jié)，第一個48位為目標地址，第二個48位為數(shù)據(jù)源地址，然后是 2個字節(jié)的數(shù)據(jù)幀類型值，在數(shù)據(jù)幀的最后，自動生成4個字節(jié)的循環(huán)冗余碼校驗（CRC）值，用于保證數(shù)據(jù)幀的完 整性。 2.2傳輸控制協(xié)議TCP(Transmission Control Protocol) TCP提供了一種可靠的數(shù)據(jù)流服務，盡管TCP是DARAP協(xié)議組中的一員，但它卻有很大的獨立性。它對下層網(wǎng)絡 協(xié)議只有最基本的要求，很容易在不同的網(wǎng)絡上建成，因而非常流行。ISO/OSI運輸層標準中的第四類TP-4就是以 TCP作為原型建立的。TCP可以在眾多的網(wǎng)絡上工作，可以提供虛擬電路服務和面向數(shù)據(jù)流的傳輸服務。用戶數(shù)據(jù)可 以有序而且可靠的傳送。在一個分組可能發(fā)生丟失、破壞、重復、延遲或失序情況下，TCP服務可提供一種可靠的 進程間通信機制，協(xié)議可以自動糾正各種差錯。 2.3網(wǎng)際協(xié)議IP(Internet Protocol) 第三層最重要的協(xié)議是IP。它將多個網(wǎng)絡聯(lián)成一個互連網(wǎng)。IP的工作是將一個以上的報文處理網(wǎng)絡聯(lián)成一個網(wǎng) 際網(wǎng)。IP的基本任務是通過網(wǎng)際網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)報，各個IP數(shù)據(jù)報之間是相互獨立的。主機上的IP層基于數(shù)據(jù)鏈路層的 服務向傳輸層提供服務。IP從源運輸實體取得數(shù)據(jù)，通過它的數(shù)據(jù)鏈路層服務傳給目的主機的IP層。網(wǎng)關(guān)通過下一 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)報傳到目的主機或下一網(wǎng)關(guān)。 2.4地址轉(zhuǎn)換協(xié)議ARP(Address Resolution Protocol) 在TCP/IP網(wǎng)絡環(huán)境下，每個主機分配的組位IP地址只是一種邏輯地址，這樣在傳送時必須轉(zhuǎn)換成物理地址， ARP協(xié)議就是完成這一功能的。 ARP使主機可以找到同一物理網(wǎng)絡中任一物理主機的物理地址，只需給出該主機 的網(wǎng)際地址即可?？梢?，基本網(wǎng)絡的物理編址對網(wǎng)絡層服務是透明的。 2.5 其它協(xié)議 在因特網(wǎng)網(wǎng)絡協(xié)議當中，還有其它相關(guān)的協(xié)議，如：反向地址轉(zhuǎn)換協(xié)議RARP(Reverse Address Resolution Protocol)、用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP(User Datagram Protocol)、網(wǎng)際控制報文協(xié)議ICMP(Internetwork control Message Protocol)、超文本傳輸協(xié)議(hypertext transfer protocol)等，它們在因特網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換當中都有什么 重要的作用，本文限于篇幅，不一一詳細介紹。 3. 硬件設計[1] 本設計中所用到的兩個重要組件為TI公司的微處理器MSP430F149和Crystal公司的以太網(wǎng)控制器CS8900A，下面 簡單介紹一下這兩個組件，再論述硬件實施方案。 3.1 MSP430F149[2] MSP430F149具有60K字節(jié)的FLASH存儲器和2K字節(jié)的RAM、看門狗定時器(Watchdog Timer)、6個8位的通用I/O 口、12位A/D轉(zhuǎn)換器、2個串行通信接口和1個硬件乘法器等。MSP430F149的60K字節(jié)FLASH存儲器足以存儲網(wǎng)頁數(shù) 據(jù)， 6個通用I/O口既可以用來控制以太網(wǎng)控制器CS8900A，也可以用來執(zhí)行其它的用戶命令，12位A/D轉(zhuǎn)換器可以 用來在終端采集數(shù)據(jù)，然后再通過網(wǎng)絡發(fā)給用戶. 3.2 CS8900A[3] CS8900A低功耗的以太網(wǎng)控制器，被廣泛應用于工控機中。其高集成度的設計（在應用當中只需要極少的外圍 元件）和簡單容用的總線接口，非常適用于本設計。目前，許多的以太網(wǎng)控制器都只提供PCI（周邊元件擴展接 口）接口，而CS8900A可以直接和微控制器相連，所以，可以MSP430F149的I/O口來直接對CS8900A進行控制，具體 連接方式如圖2所示。另外，CS8900A可以直接3V供電，這有利于和MSP430F149之間的電平匹配。 3.3 MSP430F149與CS8900A的接口 CS8900A有三種工作模式：I/O模式、存儲器模式和直接存儲器存儲模式，默認為I/O模式，可通過程序使其工 作于其它模式。CS8900A的各個工作模式各有優(yōu)缺點，本設計當中，采用的是它的I/O模式。CS8900A共有8個16位的 I/O口，這8個I/O口與片內(nèi)的8個16位寄存器相對應。如圖2所示，CS8900A采用8位的數(shù)據(jù)總線方式和MSP430F149的 P5口相連，接口中共用到14個引腳。復位后，CS8900A默認選擇I/O地址為0x300，并且一直保持該默認地址工作。 3.4 系統(tǒng)硬件原理 整個系統(tǒng)的硬件原理如圖2所示，下面詳細分析圖中的各個模塊。 CS8900A的XTAL1(97)引腳和XTAL2(98)引腳接一20MHz的晶振，由于其片內(nèi)XTAL處集成了電容，所以，不需要外 接電容。CS8900A的復位引腳為高有效，在芯片上電工作時，需要一個復位信號，這由R9和C17提供聯(lián)合提供。 CS8900A有兩個不同的LED控制引腳：LANLED(100)引腳和LINKLED(99)引腳，用于控制LED以顯示CS8900A的工作狀 態(tài)。LANLED引腳接一個紅色LED(D1)，當CS8900A接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時，該引腳輸出低電平，點亮紅色LED。LINKLED接 一個黃色LED(D2)，當CS8900A和工作的以太網(wǎng)絡連接時，黃色LED點亮。 和MSP430F149有關(guān)的電路，除了上述的和CS8900A連接的部分外，還有JTAG(Joint Test Action Group)接口、 晶振和復位電路。其中，JTAG接口用于編程和調(diào)試，用一個14引腳的接頭引出了TCK、TDI、TDO/TDI四個用于編程 和調(diào)試的引腳，可直接和MSP430的調(diào)試工具FET(FLASH Emulation Tool)相連。用戶也可以通過電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX3221把MSP430F149的串行通信口也引出，以實現(xiàn)需要的功能。MSP430F149時鐘電路部分，需要接一個8MHz的晶 振和兩個15pF的電容。 整個系統(tǒng)由3.3V的電源供電，綠色LED(D4)為整個系統(tǒng)的電源指示燈。為了系統(tǒng)擴展的需要，也可以把 MSP430F149所有未用到的I/O引腳都用接頭引出。 進行PCB(印制電路板)設計時，通過旁路電容濾波，以給MSP430F149和CS8900A提供穩(wěn)壓的電源信號。為了得到 更好的系統(tǒng)性能和減小電磁干擾，最好能夠把PCB布置為四層板。 3.5 CS8900A與局域網(wǎng)的接口 CS8900A片內(nèi)集成了一個10M的以太網(wǎng)收發(fā)器，其片內(nèi)集成了所有用于和局域網(wǎng)通信的模擬和數(shù)字電路，其可通 過一個電磁隔離器E2023直接和局域網(wǎng)相連。電阻R1用于連接兩根接收線，和兩根發(fā)送線相連的電阻R2和R3則用于 阻抗匹配。RJ45為網(wǎng)絡接頭，其可接10M或100的網(wǎng)絡集線器(hub)。 4. 軟件設計 本設計的軟件部分主要分為四大部分：以太網(wǎng)模塊、TCP/IP模塊、API(應用程序接口)和HTTP(超文本傳輸協(xié) 議)服務模塊，全部程序用C語言編寫(便于與其它微控制器系統(tǒng)的接口的擴展)，并通過IAR Workbench for MSP430 V2.10編譯。 4.1 以太網(wǎng)模塊 以太網(wǎng)部分程序的主要作用是對以太網(wǎng)控制器CS8900A進行驅(qū)動、以函數(shù)的形式給其它模塊提供讀寫CS8900A寄 存器的接口、產(chǎn)生讀寫CS8900A的時鐘等。以太網(wǎng)程序包含了網(wǎng)絡接口的各種配置，其中，最重要的是，MAC(介質(zhì) 訪問控制)地址的配置。MAC地址共48位，在程序中用6個無符號整型變量存儲MAC地址值，每個MAC地址值必需為唯 一的，并且不能是0xFFFFFFFFFFFF。 以太網(wǎng)控制器的配置過程如下：在系統(tǒng)上電后，首先調(diào)用函數(shù)Init8900()進行以太網(wǎng)控制器CS8900A的初始化 配置，然后CS8900A被復位，MSP430F149把本機的MAC地址以配置序列字的形式發(fā)給CS8900A，CS8900A把MAC地址存 儲在寄存器中。配置完成后，MSP430F149就可以對CS8900A讀寫數(shù)據(jù)了。 4.2 TCP/IP模塊 TCP/IP模塊是整個系統(tǒng)軟件的關(guān)鍵，定義了使用網(wǎng)絡來收發(fā)數(shù)據(jù)的協(xié)議，使用以太網(wǎng)模塊所提供的各種讀寫函 數(shù)來接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，并給應用層提供簡單易用的API接口。 TCP/IP模塊中，最重要的函數(shù)是DoNetworkStuff()，該函數(shù)的主要作用是進行TCP事件處理，應該周期性地被 用戶程序調(diào)用。在函數(shù)DoNetworkStuff()中，定義了一些用于標志以CS8900A和MSP |
