内容摘要：为了实现嵌入式以太网通信，使用以太网控制芯片DM9000A和单片机MSP430F5529，组成了嵌入式以太网接口，实现了网络通信，其中单片机完成自身以及以太网控制芯片的初始化、数据的封包和收发控制，而DM9000A芯片负责网络数据的发送和接收。详细介绍了系统的硬件构成框图和硬件设计，给出了实际的接口电路，重点描述了单片机和DM9000A芯片之间的软件接口程序设计，并给出了网络通信协议的应用方法。实验结果表明，该设计体积小、接口简单、速度快、功耗低，具有很高的推广价值。
关键词：以太网通信；单片机；DM9000A；MSP430F5529
随着嵌入式技术和网络技术的发展及以太网的广泛应用，以太网接口在嵌入式系统中的应用越来越广泛，网络化成为未来设备发展的一个重要方向，各种嵌入式设备已经成功渗透到各个领域，并逐渐朝着网络化、智能化的方向发展。以太网以其在实时性、可靠性、标准化等方面的卓越性能及其便于安装、维护简单、不受通信距离限制等优点，已发展成为一种成熟的技术。本文以MSP430F5529单片机和以太网控制器DM9000A为硬件组成，通过软件编程，和上位机实现了UDP协议的网络通信。
1 硬件设计
DM9000A是DAVICOM公司推出的一款高速以太网接口芯片，是完全集成的和符合成本效益单芯片快速以太网MAC控制器，其被设计为低功耗、高处理性能，而其操作又非常简单，具有通用的处理器接口，可以与多种处理器直接连接，数据总线宽度可设置为8 b和16 b，支持3．3 V和5 V电源模式。
MSP430F5529单片机是TI公司的一款超低功耗单片机。该芯片采用低功耗设计，具有五种低功耗模式，从低功耗模式到唤醒模式的转换时间小于6μs，其独特的时钟设计，每个时钟都可以打开或关闭，从而实现对整体功耗的控制。供电电压范围为1．8～3．6 V，具有强大的中断功能，集成了较丰富的片内外设和较多的I／O端口，提高了对外围设备的开发能力。
在本设计中，单片机MSP430F5529控制整个系统的运行，以太网控制器DM9000A实现网络传输的低层功能。单片机完成对DM9000A的初始化，并将需要发送的数据按协议要求进行以太网帧封装，发送给DM9000A；以中断的方式接收网络数据，并对接收到的数据进行解析，对有用数据进行处理。DM9000A接收从单片机发送来的数据，将数据通过RJ45传送到远程主机，并通过RJ45接收从远程主机发送来的数据，将数据初步解析后保存在缓存中，然后向单片机发出中断信号，由单片机来完成对数据的读取。系统的硬件设计框图如图1所示。
系统中单片机和以太网控制器都采用3．3 V来供电。单片机作为系统的主控芯片，和DM9000A之间采用8 b模式(将EECS脚接一个10 kΩ的上拉电阻)，使用P6端口和DM9000A的数据端口相连接，传输数据或地址数据，无需电平转换；P1．0脚和CMD相连，为高时为数据读／写操作，为低时为地址读／写操作；P1．1脚和INT脚相连，作为单片机的数据读取中断信号；P1．2，P1．3脚分别和IOR脚、IOW脚相连，用于控制读或写操作，低电平有效，即在信号的上升沿进行读(IOR)写(IOW)操作；P1．4脚和CS脚相连，作为DM9000A的片选信号。
2 DM9000A芯片操作
DM9000A的读／写操作与一般的异步存储器相同，图2和图3分别显示了DM9000A的读／写时序。
根据芯片资料，编写读／写寄存器的子函数。
寄存器的读操作程序：
3 软件设计
3．1 DM9000A初始化
对DM9000A芯片的初始化，就是向相应的寄存器写入期望的值，为芯片的稳定工作做好准备。主要需要进行以下设置以便让芯片处于工作状态：
(1)开启DM9000A工作状态：芯片GEPIO0的默认值为1，芯片处于Powerdown状态，所以首先需要将这一位设置为0，来打开芯片。设置方法是将寄存器GPCR的bit[0]设置为1，将寄存器GPR的bit[0]设置为0。
(2)进行2次复位操作：根据芯片的特点，要使芯片达到正常工作状态，需要对其进行2次软启动操作，方法是向NCR寄存器写入3，延迟至少10μs后，写入0，重复这个操作一次。
(3)设置MAC地址：初始化时要初始化PAR(10h～15h)寄存器，PAR中保存的是芯片物理地址(MAC地址)，芯片根据网络数据与PAR中的数据比较来确定接收到的数据是否是发给自己的。
(4)收、发控制寄存器设置：要清除发送状态寄存器，打开收／发中断使能。
初始化完成后可以通过读NCR寄存器来判断芯片是否已经正确的完成初始化，并处于工作状态，如果未初始化成功，可以重复以上操作。
3．2 数据发送
在数据发送之前，首先要对数据按网络协议进行封包，将封包后的数据全部发送。DM9000A的内部RAM地址0000h～0BFFh是发送缓冲区，用来存放发送数据包。用户在写入数据时，无需关心数据存放的地址，只要向MWCMD寄存器连续写入封包数据即可，芯片会自动将数据依次写入到发送缓冲区中。另外还需将要封包后数据的大小存放在TXPLH和TXPLL寄存器中，之后再将TCR的bit0设为1，芯片将开始进行封包数据的传送。可以通过读取TSRI，TSR11寄存器判断本次数据发送是否成功。
单片机数据发送的具体程序如下所示：
3．3 数据接收
可以采用中断的方式来完成对数据的接收。当DM9000A接收到数据并通过CRC校验后，将产生一个接收中断信号，单片机在中断发生时可以将整个数据包读出，并按照使用的网络协议来处理数据。DM9000A内存的0C00h～3FFFh是数据接收缓冲区。芯片在接收到数据包后，会在数据包的前面自动加上4个字节的数据，接收数据包时首先要读取这4个字节来确定数据包的状态，第一个字节“01H”表示接下来的是有效数据包，且数据保存在接收缓冲区中；若为“00H”则表示没有数据包，中断程序可以直接返回；若为其他值则表示出现异常，需要重新初始化芯片。第2个字节则为这个数据包的相关信息，其格式与RSR寄存器的含义一致，可以用来判断本数据包是否出现异常和出现了什么异常。第3和4个字节是存放这个封包的长度大小(不包括前4个字节)，在读取数据包时需要用这个长度来进行接收控制。
同数据发送类似，单片机从DM9000A中读取数据也只需要读取MRCMD寄存器中的值即可，读取一个字节数据后，芯片自动将下一个字节数据移到这个寄存器中。数据包的接收过程分2步：先读取MRCMDX寄存器，判断是否存在正确的数据包；如有数据包，根据数据包的长度信息依次读取读MRCMD寄存器，将整个数据包读取出来。其中第1步需要读取两次MRCMDX寄存器，因为第1次读到的值总为0。单片机数据接收程序如下：
4 网络数据传输协议
DM9000A芯片只是用来进行网络数据传输的，在具体使用时需要在单片机中按照所使用的网络通信协议格式如UDP等，进行数据的封包或解析，需要根据各种协议的格式编写相应的数据处理函数。在本系统中使用了UDP协议，协议采用分层结构，因此，数据报文也采用分层封装的方法。UDP协议的数据报文分层封装如图4所示。
