用MSP430實(shí)現(xiàn)的嵌入式因特網(wǎng)終端設(shè)計(jì)
| 1. 介紹 計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)尤其是因特網(wǎng)在日常生活中的作用越來(lái)越重要，并且呈加速發(fā)展的趨勢(shì)。如今，上網(wǎng)不再是個(gè) 人電腦和網(wǎng)絡(luò)工作站的專利，很多用微控制器（或稱單片機(jī)）控制的嵌入式系統(tǒng)也成為了因特網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(guò)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器，能夠完成對(duì)遠(yuǎn)處的微控制器控 制，并能夠接收到微控制器采集的信號(hào)，那將給人們的生活帶來(lái)很大的便利和極大地推動(dòng)生產(chǎn)力的發(fā)展。打個(gè)比 方，如果通過(guò)辦公室的一臺(tái)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(wèn)題將會(huì)等到很好的解決。 MSP430是由于TI（Texas Instruments，美國(guó)德州儀器公司）開(kāi)發(fā)的16位微處理器，其突出的特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)低功 耗，非常適用于各種低功率要求的應(yīng)用，有多個(gè)系列和型號(hào)。由于其性價(jià)比比較高，所以，被廣泛應(yīng)用于家居自動(dòng) 化，醫(yī)療設(shè)備，安防系統(tǒng)，樓宇控制系統(tǒng)等許多領(lǐng)域當(dāng)中。本因特網(wǎng)終端設(shè)計(jì)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織）于1981年提出了OSI（Open System Interconnect， 開(kāi)放系統(tǒng)互連）七層網(wǎng)絡(luò)模型。七層網(wǎng)絡(luò)模型的******優(yōu)點(diǎn)是將服務(wù)、接口和協(xié)議這三個(gè)概念明確地區(qū)分開(kāi)來(lái)：服務(wù) 說(shuō)明某一層為上一層提供一些什么功能，接口說(shuō)明上一層如何使用下層的服務(wù)，而協(xié)議涉及如何實(shí)現(xiàn)本層的服務(wù)。 因特網(wǎng)采用的四層網(wǎng)絡(luò)模型是OSI七層網(wǎng)絡(luò)模型的一個(gè)子集，其具體的四層：應(yīng)用層、傳輸層、因特網(wǎng)層和網(wǎng) 絡(luò)層，圖1為因特網(wǎng)的四層網(wǎng)絡(luò)模型與OSI七層網(wǎng)絡(luò)模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖。因特網(wǎng)模型通過(guò)數(shù)據(jù)分段(Segment)中的序 列號(hào)保證所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以在遠(yuǎn)端按照正常的次序進(jìn)行重組，而且通過(guò)確認(rèn)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(luò)模型當(dāng)中，屬于網(wǎng)絡(luò)層。以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié) 點(diǎn)具有相同的訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)利，它們之間對(duì)網(wǎng)絡(luò)占用是通過(guò)具有沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)( CSMA/CD )的方法 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)采用曼徹斯特編碼，網(wǎng)絡(luò)中的連接一般采用雙絞線或同軸電纜。以太網(wǎng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有一個(gè)48位、 唯一編號(hào)的地址。每幀數(shù)據(jù)的******長(zhǎng)度為1518個(gè)字節(jié)，第一個(gè)48位為目標(biāo)地址，第二個(gè)48位為數(shù)據(jù)源地址，然后是 2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)幀類型值，在數(shù)據(jù)幀的最后，自動(dòng)生成4個(gè)字節(jié)的循環(huán)冗余碼校驗(yàn)（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(wù)，盡管TCP是DARAP協(xié)議組中的一員，但它卻有很大的獨(dú)立性。它對(duì)下層網(wǎng)絡(luò) 協(xié)議只有最基本的要求，很容易在不同的網(wǎng)絡(luò)上建成，因而非常流行。ISO/OSI運(yùn)輸層標(biāo)準(zhǔn)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(luò)上工作，可以提供虛擬電路服務(wù)和面向數(shù)據(jù)流的傳輸服務(wù)。用戶數(shù)據(jù)可 以有序而且可靠的傳送。在一個(gè)分組可能發(fā)生丟失、破壞、重復(fù)、延遲或失序情況下，TCP服務(wù)可提供一種可靠的 進(jìn)程間通信機(jī)制，協(xié)議可以自動(dòng)糾正各種差錯(cuò)。 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(gè)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)成一個(gè)互連網(wǎng)。IP的工作是將一個(gè)以上的報(bào)文處理網(wǎng)絡(luò)聯(lián)成一個(gè)網(wǎng) 際網(wǎng)。IP的基本任務(wù)是通過(guò)網(wǎng)際網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)報(bào)，各個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)之間是相互獨(dú)立的。主機(jī)上的IP層基于數(shù)據(jù)鏈路層的 服務(wù)向傳輸層提供服務(wù)。IP從源運(yùn)輸實(shí)體取得數(shù)據(jù)，通過(guò)它的數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)傳給目的主機(jī)的IP層。網(wǎng)關(guān)通過(guò)下一 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報(bào)傳到目的主機(jī)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(luò)環(huán)境下，每個(gè)主機(jī)分配的組位IP地址只是一種邏輯地址，這樣在傳送時(shí)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(jī)可以找到同一物理網(wǎng)絡(luò)中任一物理主機(jī)的物理地址，只需給出該主機(jī) 的網(wǎng)際地址即可?？梢?jiàn)，基本網(wǎng)絡(luò)的物理編址對(duì)網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)是透明的。 2.5 其它協(xié)議 在因特網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議當(dāng)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(bào)協(xié)議UDP(User Datagram Protocol)、網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議ICMP(Internetwork control Message Protocol)、超文本傳輸協(xié)議(hypertext transfer protocol)等，它們?cè)谝蛱鼐W(wǎng)的數(shù)據(jù)交換當(dāng)中都有什么 重要的作用，本文限于篇幅，不一一詳細(xì)介紹。 3. 硬件設(shè)計(jì)[1] 本設(shè)計(jì)中所用到的兩個(gè)重要組件為T(mén)I公司的微處理器MSP430F149和Crystal公司的以太網(wǎng)控制器CS8900A，下面 簡(jiǎn)單介紹一下這兩個(gè)組件，再論述硬件實(shí)施方案。 3.1 MSP430F149[2] MSP430F149具有60K字節(jié)的FLASH存儲(chǔ)器和2K字節(jié)的RAM、看門(mén)狗定時(shí)器(Watchdog Timer)、6個(gè)8位的通用I/O 口、12位A/D轉(zhuǎn)換器、2個(gè)串行通信接口和1個(gè)硬件乘法器等。MSP430F149的60K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器足以存儲(chǔ)網(wǎng)頁(yè)數(shù) 據(jù)， 6個(gè)通用I/O口既可以用來(lái)控制以太網(wǎng)控制器CS8900A，也可以用來(lái)執(zhí)行其它的用戶命令，12位A/D轉(zhuǎn)換器可以 用來(lái)在終端采集數(shù)據(jù)，然后再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用于工控機(jī)中。其高集成度的設(shè)計(jì)（在應(yīng)用當(dāng)中只需要極少的外圍 元件）和簡(jiǎn)單容用的總線接口，非常適用于本設(shè)計(jì)。目前，許多的以太網(wǎng)控制器都只提供PCI（周邊元件擴(kuò)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(lái)直接對(duì)CS8900A進(jìn)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(chǔ)器模式和直接存儲(chǔ)器存儲(chǔ)模式，默認(rèn)為I/O模式，可通過(guò)程序使其工 作于其它模式。CS8900A的各個(gè)工作模式各有優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)當(dāng)中，采用的是它的I/O模式。CS8900A共有8個(gè)16位的 I/O口，這8個(gè)I/O口與片內(nèi)的8個(gè)16位寄存器相對(duì)應(yīng)。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(gè)引腳。復(fù)位后，CS8900A默認(rèn)選擇I/O地址為0x300，并且一直保持該默認(rèn)地址工作。 3.4 系統(tǒng)硬件原理 整個(gè)系統(tǒng)的硬件原理如圖2所示，下面詳細(xì)分析圖中的各個(gè)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(fù)位引腳為高有效，在芯片上電工作時(shí)，需要一個(gè)復(fù)位信號(hào)，這由R9和C17提供聯(lián)合提供。 CS8900A有兩個(gè)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(gè)紅色LED(D1)，當(dāng)CS8900A接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該引腳輸出低電平，點(diǎn)亮紅色LED。LINKLED接 一個(gè)黃色LED(D2)，當(dāng)CS8900A和工作的以太網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，黃色LED點(diǎn)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(fù)位電路。其中，JTAG接口用于編程和調(diào)試，用一個(gè)14引腳的接頭引出了TCK、TDI、TDO/TDI四個(gè)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(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX3221把MSP430F149的串行通信口也引出，以實(shí)現(xiàn)需要的功能。MSP430F149時(shí)鐘電路部分，需要接一個(gè)8MHz的晶 振和兩個(gè)15pF的電容。 整個(gè)系統(tǒng)由3.3V的電源供電，綠色LED(D4)為整個(gè)系統(tǒng)的電源指示燈。為了系統(tǒng)擴(kuò)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(jìn)行PCB(印制電路板)設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)旁路電容濾波，以給MSP430F149和CS8900A提供穩(wěn)壓的電源信號(hào)。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(gè)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(guò)一個(gè)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(luò)接頭，其可接10M或100的網(wǎng)絡(luò)集線器(hub)。 4. 軟件設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)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(yīng)用程序接口)和HTTP(超文本傳輸協(xié) 議)服務(wù)模塊，全部程序用C語(yǔ)言編寫(xiě)(便于與其它微控制器系統(tǒng)的接口的擴(kuò)展)，并通過(guò)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(duì)以太網(wǎng)控制器CS8900A進(jìn)行驅(qū)動(dòng)、以函數(shù)的形式給其它模塊提供讀寫(xiě)CS8900A寄 存器的接口、產(chǎn)生讀寫(xiě)CS8900A的時(shí)鐘等。以太網(wǎng)程序包含了網(wǎng)絡(luò)接口的各種配置，其中，最重要的是，MAC(介質(zhì) 訪問(wèn)控制)地址的配置。MAC地址共48位，在程序中用6個(gè)無(wú)符號(hào)整型變量存儲(chǔ)MAC地址值，每個(gè)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(guò)程如下：在系統(tǒng)上電后，首先調(diào)用函數(shù)Init8900()進(jìn)行以太網(wǎng)控制器CS8900A的初始化 配置，然后CS8900A被復(fù)位，MSP430F149把本機(jī)的MAC地址以配置序列字的形式發(fā)給CS8900A，CS8900A把MAC地址存 儲(chǔ)在寄存器中。配置完成后，MSP430F149就可以對(duì)CS8900A讀寫(xiě)數(shù)據(jù)了。 4.2 TCP/IP模塊 TCP/IP模塊是整個(gè)系統(tǒng)軟件的關(guān)鍵，定義了使用網(wǎng)絡(luò)來(lái)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(xiě)函 數(shù)來(lái)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，并給應(yīng)用層提供簡(jiǎn)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(jìn)行TCP事件處理，應(yīng)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(biāo)志以CS8900A和MSP |
