基于MSP430F149的串口服務(wù)器設(shè)計(jì)
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(lái)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(jiǎn)，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(guó)Texas Instruments(TI)公司于1996年開(kāi)始推向市場(chǎng)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(guò)程最多只需要6μs。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(guò)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125ns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(cè)、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(chǎng)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(jiǎn)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(guò)內(nèi)部寄存器的設(shè)置來(lái)適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。
電源通過(guò)5V電源適配器，經(jīng)LD1117芯片轉(zhuǎn)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(shí)外接一個(gè)JTAG口，通過(guò)JTAG口接MSP430仿真器用于系統(tǒng)與MSP430開(kāi)發(fā)軟件IAR之間的程序調(diào)試 。
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(cè)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(cè)等功能。CS8900A內(nèi)部的802.3介質(zhì)訪問(wèn)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(cè)、幀頭的產(chǎn)生和檢測(cè)、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。
軟件部分采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，把程序化繁為簡(jiǎn)，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)。
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。
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(lái)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(kāi)始調(diào)用函數(shù)ProcessFrame（）來(lái)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(lái)自下層提供的服務(wù)，低層的操作細(xì)節(jié)對(duì)上層來(lái)說(shuō)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(jiǎn)，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。
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。
表1 TCP/IP協(xié)議各層功能
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(chǎng)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(kāi)發(fā)，成本高，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)。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(chǎng)合。采用16位微處理器、網(wǎng)絡(luò)接口芯片和精簡(jiǎn)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(jiǎn)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2KB的ROM，通過(guò)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。
