用MSP430實現(xiàn)的嵌入式因特網(wǎng)終端設(shè)計

【摘　要】本文詳細描述了用TI公司的MSP430單片機實現(xiàn)嵌入式因特網(wǎng)終端的設(shè)計，包括硬件和軟件兩大部分。MSP430微控制器控制以太網(wǎng)控制器CS8900A實現(xiàn)本地局域網(wǎng)的功能，通過TCP/IP協(xié)議提供與因特網(wǎng)進行連接的應(yīng)用接口，使用該應(yīng)用接口，可以建立新的任務(wù)或改變現(xiàn)有的任務(wù)，實現(xiàn)與因特網(wǎng)中其它終端間的通信。在本文中，給出了硬件原理圖，說明了部分模塊的工作流程。

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(luò)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(luò)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(yīng)用，有多個系列和型號。由于其性價比比較高，所以，被廣泛應(yīng)用于家居自動化，醫(yī)療設(shè)備，安防系統(tǒng)，樓宇控制系統(tǒng)等許多領(lǐng)域當中。本因特網(wǎng)終端設(shè)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(luò)模型。七層網(wǎng)絡(luò)模型的最大優(yōu)點是將服務(wù)、接口和協(xié)議這三個概念明確地區(qū)分開來：服務(wù)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(wù)，而協(xié)議涉及如何實現(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)模型的對應(yīng)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 />  
圖1　OSI七層協(xié)議與因特網(wǎng)四層模型的對應(yīng)關(guān)系

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)模型當中，屬于網(wǎng)絡(luò)層。以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點具有相同的訪問網(wǎng)絡(luò)的權(quán)利，它們之間對網(wǎng)絡(luò)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(luò)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)的最大長度為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(wù)，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(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(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。在一個分組可能發(fā)生丟失、破壞、重復、延遲或失序情況下，TCP服務(wù)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(luò)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(luò)聯(lián)成一個網(wǎng)際網(wǎng)。IP的基本任務(wù)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(wù)向傳輸層提供服務(wù)。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(wù)傳給目的主機的IP層。網(wǎng)關(guān)通過下一網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)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。可見，基本網(wǎng)絡(luò)的物理編址對網(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(shè)計[1]

本設(shè)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(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)用于工控機中。其高集成度的設(shè)計（在應(yīng)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(shè)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(shè)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(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。

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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(luò)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(shè)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(luò)接頭，其可接10M或100的網(wǎng)絡(luò)集線器(hub)。

4. 軟件設(shè)計

本設(shè)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(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(luò)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(luò)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(yīng)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(yīng)該周期性地被用戶程序調(diào)用。在函數(shù)DoNetworkStuff()中，定義了一些用于標志以CS8900A和MSP430F149工作狀態(tài)的標志量，該函數(shù)的工作流程如圖3所示。函數(shù)DoNetworkStuff()被調(diào)用得周期越短，系統(tǒng)執(zhí)行TCP/IP協(xié)議的性能越好。

為了更好的協(xié)調(diào)接發(fā)和發(fā)送的數(shù)據(jù)，給TCP/IP模塊在SRAM中分配了三個緩沖區(qū)，TxFrame1、TxFrame2和RxTCPBuffer。其中，TxFrame1的主要作用是給要發(fā)送的TCP數(shù)據(jù)幀(包括以太網(wǎng)、IP、TCP幀頭)提供緩沖內(nèi)存；TxFrame2的主要作用是給TCP非數(shù)據(jù)幀(包括以太網(wǎng)、IP、TCP幀頭)和ARP、CIMP協(xié)議幀提供緩沖內(nèi)存；RxTCPBuffer給接收到的TCP數(shù)據(jù)提供緩沖內(nèi)存。所分配的緩沖區(qū)越大，收發(fā)速度越快，因為這樣可以減少因緩沖區(qū)不足造成的滯后。

可以通過主動或被動的方式調(diào)用函數(shù)TCPPassiveOpen()或TCPActiveOpen()建立網(wǎng)絡(luò)通信連接。函數(shù)TCPPassiveOpen()函數(shù)的作用主要是用于檢測到有數(shù)據(jù)包送入時，把數(shù)據(jù)包送入緩沖區(qū)，函數(shù)TCPActiveOpen()的主要作用是，把要發(fā)送的數(shù)據(jù)包送入緩沖區(qū)。在主動發(fā)送數(shù)據(jù)包之前，先設(shè)置要接收該數(shù)據(jù)包的MAC地址，并把本機地址包含進數(shù)據(jù)包。一旦連接建立完成，就可以開始發(fā)送數(shù)據(jù)，可以通過相應(yīng)的接口函數(shù)讀出連接的狀態(tài)。當數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，可以通過函數(shù)TCPClose()關(guān)閉連接。

在數(shù)據(jù)包收發(fā)的過程當中，不同的任務(wù)需要不同的處理時間，這個時間可以使用MSP430F149的定時器Timer_A來提供，不過必須注意的是，在使用定時器Timer_A之前，必須進行初始化，這點同使用其它微控制器是相似的。為了減少數(shù)據(jù)包發(fā)送不成功造成的錯誤，當接收機接收到數(shù)據(jù)后，其應(yīng)當返回一個接收正確信號，當發(fā)送機超過設(shè)定時間，仍接收不到正確的接收信號時，TCP/IP模塊自動進行數(shù)據(jù)包重發(fā)，這個過程可以通過相應(yīng)的變量和函數(shù)來實現(xiàn)。

雖然，各個公司的軟件處理TCP/IP協(xié)議的程序不盡相同，但幸運的是，各個公司在TCP/IP協(xié)議上的兼容性都非常好，因此，只要用戶按照TCP/IP協(xié)議進行程序編寫，不同的程序間的通信應(yīng)該不存在多大的問題。

4.3 API(應(yīng)用編程接口)

為了使用戶既能夠使用現(xiàn)在的應(yīng)用，也能夠建立適用自己要求的嵌入式應(yīng)用，在整個軟件的編制過程中，應(yīng)當留一下API函數(shù)，以便于用戶無需對TCP/IP協(xié)議有過多的了解也能夠在原有程序的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)。本軟件充分考慮了這一點，給用戶留出了很多AIP函數(shù)，主要的有，TCPClose()、TCPReleaseRxBuffer()和TCPTransmitTxBuffer()等。其中，函數(shù)TCPClose()的主要用處是用于關(guān)閉打開了的連接，在關(guān)閉連接之前，發(fā)送的數(shù)據(jù)包還留在發(fā)送緩沖區(qū)中以保證正確發(fā)送，連接關(guān)閉之后，用戶要重新建立連接的話，必須重新設(shè)置IP地下、重新分配I/O口和重新建立連接。TCPReleaseRxBuffer()的主要作用是，在讀出緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)之后，調(diào)用此函數(shù)，無需再保存已正確讀出的數(shù)據(jù)包，這樣就可以騰出緩沖區(qū)用于存放新的數(shù)據(jù)包。用戶可以使用函數(shù)TCPTransmitTxBuffer()通過已建立的連接發(fā)送數(shù)據(jù)，但是，在使用該函數(shù)前，用戶要先檢查SOCK_TX_BUF_RELEASED標志，確定是否有可用的發(fā)送緩沖區(qū)。本設(shè)計中，還提供了檢查連接狀態(tài)和收發(fā)狀態(tài)的變量(標志)，如SOK_ACTIVE、SOCK_CONNEDTED等。

4.4 HTTP應(yīng)用

在進行以上的工作之后，用戶就可以建立HTTP服務(wù)器，通過TCP/IP協(xié)議，實現(xiàn)不同的微控制器或工作站之間的通信。HTML(超文本鏈接標示語言)網(wǎng)頁數(shù)據(jù)可以保存在MSP430F149的片內(nèi)FLASH存儲器中。網(wǎng)頁能夠完成接收數(shù)據(jù)、發(fā)送網(wǎng)頁數(shù)據(jù)、關(guān)閉連接和等待其它應(yīng)用進行連接等。并且，用戶建立的網(wǎng)頁，能夠動態(tài)實時的進行數(shù)據(jù)更新。當然，無論是在普通計算機或微控制器上運行HTML網(wǎng)頁應(yīng)用程序，要實現(xiàn)和其它計算機進行通信，都必須如前所述，設(shè)置單一、有效的MAC地址。

5. 結(jié)束語

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，需要進行網(wǎng)絡(luò)連接和通信的微型嵌入式因特網(wǎng)終端越來越多，這不僅可以應(yīng)用于日常生活中，也可以應(yīng)用于許多工業(yè)現(xiàn)場，特別是在那些分散、共享數(shù)據(jù)或需要共享某些信息的工業(yè)現(xiàn)場嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端的技術(shù)優(yōu)質(zhì)更加明顯。此外，MSP430系列單片機的功耗非常低，很好的解決了在某些特殊場合下的電源問題。由此可見，本文所論述的設(shè)計方案具有很大的應(yīng)用前景。