摘要：MSP430微處理器具有功耗低和功能模塊豐富的特點。采用MSP430F149為主控制器和以太網(wǎng)控制芯片CS8900A設計串口服務器，并且嵌入精簡后的TCP/IP協(xié)議。以過程控制設備為目標進行調試，實現(xiàn)RS-232串口和網(wǎng)絡接口RJ45的轉換。使串口設備聯(lián)入以太網(wǎng)，實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡控制。

隨著計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展，各種工業(yè)設備、試驗設備以及家電等正在走向網(wǎng)絡化，“讓全世界的設備連入網(wǎng)絡”已成為全球共識，所以把具有串口通信接口的設備連入網(wǎng)絡，進行遠程數(shù)據(jù)交換和網(wǎng)絡控制，顯得尤為重要。

本文采用了TI公司生產的16位超低功耗的混合信號處理器(mixed signal processor)和Cirrus公司生產的高集成度的全面支持IEEE802.3標準的以太網(wǎng)控制器CS8900A來設計嵌入式串口服務器終端，以模塊化設計思想提供軟件設計，鑒于嵌入式系統(tǒng)有限的內存，對TCP/IP進行了精簡，并進行了調試。

1 硬件電路設計

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，以適應不同的需要。CPU從低功耗模式被喚醒，這個過程最多只需要6μs。靈活的時鐘使用方式也是MSP430的一大特點，除了片內集成一個晶體振蕩器外，還可外接1～2個晶體振蕩器。不同的內部功能模塊可根據(jù)需要使用不同的晶體振蕩器，在不需要時可以通過設置寄存器將其關閉，以減低功耗。MSP430采用了16位的RISC架構，具有125ns的指令周期，且內部具有豐富的功能模塊，集成了多通道10～14位的A/D轉換器、雙路12位D/A轉換器、比較器、電源電壓檢測、串行口USART(UART/SPI)、硬件乘法器、Flash存儲器、看門狗定時器及多個16位、8位定時器等功能模塊。這些結構使得MSP430微處理器可以應用到更多的場合，有更廣泛的應用，也使得串口服務器的設計更為簡單化。

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

系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的硬件框圖

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

主控制器負責控制以太網(wǎng)接口完成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收，以及相應的封裝和解包工作，根據(jù)上位機的指令完成相應的數(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)生然后做出相應的反應；負責完成系統(tǒng)上電復位、初始化以及低電壓檢測等功能。CS8900A內部的802.3介質訪問控制[4]負責處理有關以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收，包括：數(shù)據(jù)檢測、幀頭的產生和檢測、CRC校驗碼的生成和驗證。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)送時把網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)包轉換成以太網(wǎng)物理幀格式用于物理信道上的傳輸；在接收時將物理信道上接收到的信號轉換成網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)包。

2 軟件程序設計

軟件部分采用模塊化的設計思想，把程序化繁為簡，便于程序的設計、調試及維護。整個部分包括初始化模塊、串口數(shù)據(jù)采集及處理模塊、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集及處理模塊和TCP/IP模塊，另外還有定時器中斷用于TCP的重發(fā)機制計時和數(shù)據(jù)采集計時、串口中斷用于轉發(fā)串口數(shù)據(jù)。

程序工作流程如圖2所示。

圖2 程序工作流程

2.1 初始化模塊

初始化模塊包括對主控制器MSP430F149和以太網(wǎng)控制器CS8900A的初始化；包括時鐘振蕩器的設置、I/O口初始化設置、定時器A的初始化和CS8900A片內寄存器的初始化。

初始化XT1上的8MHz晶振，并用作系統(tǒng)主時鐘MCLK。

static void InitOsc（void）
     {
     WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;          // 關閉看門狗
     BCSCTL1 |= XTS;                    // XT1工作在高頻模式
     __bic_SR_register（OSCOFF）；         // 啟動XT1晶振
     do
     {
     IFG1 &= ~OFIFG;        // 清除振蕩器失效標志 OFIFG
     DelayCycles（100）；                       // 延時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)絡數(shù)據(jù)和串口數(shù)據(jù)的采集和處理。程序設計中設置了全局變量DonetworkStuff函數(shù)來檢查是否收到一個幀。當確定數(shù)據(jù)包是發(fā)給特定模塊時，開始調用函數(shù)ProcessFrame（）來對數(shù)據(jù)進行處理。

2.3 TCP/IP模塊

層次結構是描述協(xié)議棧普遍采用的方法，每一層都向上一層提供服務，同時使用來自下層提供的服務，低層的操作細節(jié)對上層來說是不透明的。根據(jù)嵌入式自身的特點和系統(tǒng)需求，對TCP/IP進行了精簡，以更適合嵌入式系統(tǒng)的需要。TCP/IP的4層結構與OSI的7層參考模型對應關系如圖3所示。

圖3 TCP/IP的4層結構

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

表1 TCP/IP協(xié)議各層功能

當有串口數(shù)據(jù)需要發(fā)送或者收到網(wǎng)絡數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)進入TCP/IP協(xié)議模塊對數(shù)據(jù)進行處理，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為時鐘源，1/8分頻，連續(xù)計數(shù)模式
     Init8900（）；
     TransmitControl = 0;
     TCPFlags = 0;
     TCPStateMachine = CLOSED;
     SocketStatus = 0;
     }

目前市場成型的串口服務器產品大多采用高性能32位微處理器在RTOS(實時多任務操作系統(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，有很廣泛的應用場合。采用16位微處理器、網(wǎng)絡接口芯片和精簡TCP/IP協(xié)議的設計，實現(xiàn)RS-232串口和網(wǎng)絡接口RJ45的轉換，既經濟，又簡單。

在系統(tǒng)的實時性方面，MSP430F149單片機指令速度可達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實時性的要求。另外MSP430F149具有2KB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)的實時性。

參考文獻

[1] 張晞，王德銀，張晨. MSP430系列單片機實用C語言程序設計. 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實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡互聯(lián). 電子工程師，2002(2):4-5.
     [3] 張曉飛. 基于MSP430單片機的嵌入式網(wǎng)絡終端.合肥工業(yè)大學碩士論文, 2006:7-8.
     [4] 姚軍，溫陽東，謝毓廣. 基于MSP430F1611 MCU的微機保護控制單元. 電氣時代，2005.
     [5] MSP430 internet connectivity. http://microcontroller.ti.com

作者：陳政石 秦紅波 李鐵鷹   來源：《電子技術應用》2009年1期