《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于MSP430F149的串口服務(wù)器設(shè)計(jì)

2009-05-18
作者：陳政石1, 秦紅波1,，2, 李鐵

??? 摘? 要： MSP430微處理器具有功耗低和功能模塊豐富的特點(diǎn),。采用MSP430F149為主控制器和以太網(wǎng)控制芯片CS8900A設(shè)計(jì)串口服務(wù)器，并且嵌入精簡后的TCP/IP協(xié)議,。以過程控制設(shè)備為目標(biāo)進(jìn)行調(diào)試,，實(shí)現(xiàn)RS-232串口和網(wǎng)絡(luò)接口RJ45的轉(zhuǎn)換。使串口設(shè)備聯(lián)入以太網(wǎng),，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制,。 ?

??? 關(guān)鍵詞： MSP430； 串口服務(wù)器,； 以太網(wǎng)

?

??? 隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,，各種工業(yè)設(shè)備、試驗(yàn)設(shè)備以及家電等正在走向網(wǎng)絡(luò)化,，“讓全世界的設(shè)備連入網(wǎng)絡(luò)”已成為全球共識(shí),，所以把具有串口通信接口的設(shè)備連入網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換和網(wǎng)絡(luò)控制,，顯得尤為重要。?

??? 本文采用了TI公司生產(chǎn)的16位超低功耗的混合信號(hào)處理器（mixed signal processor）和Cirrus公司生產(chǎn)的高集成度的全面支持IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)控制器CS8900A來設(shè)計(jì)嵌入式串口服務(wù)器終端,，以模塊化設(shè)計(jì)思想提供軟件設(shè)計(jì),，鑒于嵌入式系統(tǒng)有限的內(nèi)存，對(duì)TCP/IP進(jìn)行了精簡，并進(jìn)行了調(diào)試,。?

1 硬件電路設(shè)計(jì)?

??? 主控制器MSP430[1]是美國Texas Instruments（TI）公司于1996年開始推向市場的超低功耗微處理器,，擁有5種低功耗模式，以適應(yīng)不同的需要,。CPU從低功耗模式被喚醒,，這個(gè)過程最多只需要6 μs。靈活的時(shí)鐘使用方式也是MSP430的一大特點(diǎn),，除了片內(nèi)集成一個(gè)晶體振蕩器外,，還可外接1～2個(gè)晶體振蕩器。不同的內(nèi)部功能模塊可根據(jù)需要使用不同的晶體振蕩器,，在不需要時(shí)可以通過設(shè)置寄存器將其關(guān)閉,，以減低功耗。MSP430采用了16位的RISC架構(gòu),，具有125 ns的指令周期,且內(nèi)部具有豐富的功能模塊,，集成了多通道10～14位的A/D轉(zhuǎn)換器、雙路12位D/A轉(zhuǎn)換器,、比較器,、電源電壓檢測、串行口USART(UART/SPI),、硬件乘法器,、Flash存儲(chǔ)器、看門狗定時(shí)器及多個(gè)16位,、8位定時(shí)器等功能模塊,。這些結(jié)構(gòu)使得MSP430微處理器可以應(yīng)用到更多的場合，有更廣泛的應(yīng)用,，也使得串口服務(wù)器的設(shè)計(jì)更為簡單化,。?

??? 以太網(wǎng)控制芯片CS8900A[2]是Cirrus Logic公司生產(chǎn)的低功耗、性能優(yōu)越的16位以太網(wǎng)控制器,。其突出特點(diǎn)是使用靈活,，物理層接口、數(shù)據(jù)傳輸模式和工作模式等都能根據(jù)需要而動(dòng)態(tài)調(diào)整,，通過內(nèi)部寄存器的設(shè)置來適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境,。?

??? 系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。?

?

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??? 電源通過5 V電源適配器,，經(jīng)LD1117芯片轉(zhuǎn)化為3.3 V穩(wěn)壓電源給主控制器MSP430,、以太網(wǎng)芯片CS8900A及SP3223供電。MSP430接8 MHz的晶振,，同時(shí)外接一個(gè)JTAG口,，通過JTAG口接MSP430仿真器用于系統(tǒng)與MSP430開發(fā)軟件IAR之間的程序調(diào)試[3] ,。?

??? 主控制器負(fù)責(zé)控制以太網(wǎng)接口完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收，以及相應(yīng)的封裝和解包工作,，根據(jù)上位機(jī)的指令完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集和處理,，并且檢測串口通信模塊是否有事件發(fā)生然后做出相應(yīng)的反應(yīng)；負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)上電復(fù)位,、初始化以及低電壓檢測等功能,。CS8900A內(nèi)部的802.3介質(zhì)訪問控制[4]負(fù)責(zé)處理有關(guān)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收，包括：數(shù)據(jù)檢測,、幀頭的產(chǎn)生和檢測,、CRC校驗(yàn)碼的生成和驗(yàn)證。以太網(wǎng)模塊用于完成TCP/IP協(xié)議棧中的鏈路層功能,，在發(fā)送時(shí)把網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)物理幀格式用于物理信道上的傳輸,；在接收時(shí)將物理信道上接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包。?

2 軟件程序設(shè)計(jì)?

??? 軟件部分采用模塊化的設(shè)計(jì)思想,，把程序化繁為簡,，便于程序的設(shè)計(jì)、調(diào)試及維護(hù),。整個(gè)部分包括初始化模塊,、串口數(shù)據(jù)采集及處理模塊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集及處理模塊和TCP/IP模塊,，另外還有定時(shí)器中斷用于TCP的重發(fā)機(jī)制計(jì)時(shí)和數(shù)據(jù)采集計(jì)時(shí),、串口中斷用于轉(zhuǎn)發(fā)串口數(shù)據(jù),。?

??? 程序工作流程如圖2所示,。?

?

?

2.1初始化模塊?

??? 初始化模塊包括對(duì)主控制器MSP430F149和以太網(wǎng)控制器CS8900A的初始化；包括時(shí)鐘振蕩器的設(shè)置,、I/O口初始化設(shè)置,、定時(shí)器A的初始化和CS8900A片內(nèi)寄存器的初始化[5]。?

??? 初始化XT1上的8MHz晶振,，并用作系統(tǒng)主時(shí)鐘MCLK,。?

??? static void InitOsc(void)?

??? {?

??? WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;????? ????// 關(guān)閉看門狗?

??? BCSCTL1 |= XTS;??????????????????? // XT1工作在高頻模式?

??? __bic_SR_register(OSCOFF);???????? // 啟動(dòng)XT1晶振?

??? ? ? do?

??? {?

??? IFG1 &= ~OFIFG;??????? // 清除振蕩器失效標(biāo)志 OFIFG?

??? DelayCycles(100);??? ?????????????????? // 延時(shí)130?滋s?

??? } ?

??? while (IFG1 & OFIFG);?????????????? // 判斷XT1是否起振?

??? BCSCTL2 = SELM_3;?????????????????? // 選擇MCLK為XT1?

??? }? ?

??? I/O口的初始化：P3.7和P3.6初始化用于控制CS8900A的IOW和IOR，P3.5和P3.4用于串口UART0,，P3.3～P3.0用于CS8900的地址總線,，P5用于CS8900A的數(shù)據(jù)總線，這些都在CS8900A的初始化程序中進(jìn)行,。?

??? 以太網(wǎng)模塊CS8900A的初始化程序如下：?

??? void Init8900(void)?

??? {?

??????? unsigned int i;?

????? ? P3OUT = IOR | IOW;???????????????????????????? ?

　????? P3DIR = 0xff;????????????????????????????????? ?

??? 　? P5OUT = 0;???????????????????????????????????? ?

??? 　? P5DIR = 0xff;????????????????????????????????? ?

??? 　? DelayCycles(40000);??????????????????????????? ?

??? ? ? DelayCycles(40000);?

??????? Write8900(ADD_PORT, PP_SelfCTL);?

??????? Write8900(DATA_PORT,POWER_ON_RESET);???

??? do?

???? ?? Write8900(ADD_PORT, PP_SelfST); ?

??? while? (!(Read8900(DATA_PORT) & INIT_DONE));????

??? }?

2.2數(shù)據(jù)采集及處理?

??? 這里包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和串口數(shù)據(jù)的采集和處理,。程序設(shè)計(jì)中設(shè)置了全局變量DonetworkStuff函數(shù)來檢查是否收到一個(gè)幀。當(dāng)確定數(shù)據(jù)包是發(fā)給特定模塊時(shí),，開始調(diào)用函數(shù)ProcessFrame（）來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,。?

2.3 TCP/IP模塊?

??? 層次結(jié)構(gòu)是描述協(xié)議棧普遍采用的方法,，每一層都向上一層提供服務(wù)，同時(shí)使用來自下層提供的服務(wù),，低層的操作細(xì)節(jié)對(duì)上層來說是不透明的,。根據(jù)嵌入式自身的特點(diǎn)和系統(tǒng)需求，對(duì)TCP/IP進(jìn)行了精簡,，以更適合嵌入式系統(tǒng)的需要,。TCP/IP的4層結(jié)構(gòu)與OSI的7層參考模型對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。?

??? TCP/IP協(xié)議中應(yīng)用層,、傳輸層,、互聯(lián)網(wǎng)層和網(wǎng)絡(luò)接口層的基本功能如表1所述。?

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?

??? 當(dāng)有串口數(shù)據(jù)需要發(fā)送或者收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)后,，系統(tǒng)進(jìn)入TCP/IP協(xié)議模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,，TCP/IP協(xié)議模塊的初始化程序如下：?

??? void TCP Init(void)?

??? {?

??????? BCSCTL1 &= ~DIVA0; ?

??????????????????????????????? ?//ACLK=XT1/4=2MHz?

??????? BCSCTL1 |=DIVA1;?

??? TACTL=ID_3+TASSEL_1+MC_2+TAIE;?

??????????????? //選擇ACLK為時(shí)鐘源，1/8分頻,，連續(xù)計(jì)數(shù)模式?

??????? Init8900();?

　　??? TransmitControl = 0;?

　　??? TCPFlags = 0;?

??? 　? TCPStateMachine = CLOSED;?

??????? SocketStatus = 0;?

??? }?

??? 目前市場成型的串口服務(wù)器產(chǎn)品大多采用高性能32位微處理器在RTOS（實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)）上開發(fā),，成本高，開發(fā)周期長,。采用16位的MSP430的串口服務(wù)器,，成本較低，而且功耗較低,，配置以太網(wǎng)控制器CS8900A,，有很廣泛的應(yīng)用場合。采用16位微處理器,、網(wǎng)絡(luò)接口芯片和精簡TCP/IP協(xié)議的設(shè)計(jì),，實(shí)現(xiàn)RS-232串口和網(wǎng)絡(luò)接口RJ45的轉(zhuǎn)換，既經(jīng)濟(jì),，又簡單,。?

??? 在系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性方面，MSP430F149單片機(jī)指令速度可達(dá)8MIPS,，采用可以提高數(shù)據(jù)傳輸速度的DMA（Direct Memory Access）,，完全可以滿足串口通信對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。另外MSP430F149具有2 KB的ROM,，通過建立數(shù)據(jù)緩沖區(qū),，能有效解決串口和網(wǎng)口傳輸速率不匹配的矛盾，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,。?

參考文獻(xiàn)?

[1] 張晞,，王德銀，張晨. MSP430系列單片機(jī)實(shí)用C語言程序設(shè)計(jì). 北京：人民郵電出版社,，2005:2-4.?

[2]?張鵬,，張愛民,，李杰. 基于以太網(wǎng)控制器CS8900A實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián). 電子工程師，2002(2):4-5.?

[3] 張曉飛. 基于MSP430單片機(jī)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端.合肥工業(yè)大學(xué)碩士論文, 2006:7-8.?

[4] 姚軍,，溫陽東,，謝毓廣. 基于MSP430F1611 MCU的微機(jī)保護(hù)控制單元. 電氣時(shí)代，2005.?

[5]?MSP430 internet connectivity. http://microcontroller.ti.com
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