基于DM9000的以太網(wǎng)藏文信息控制平臺(tái)

摘要：基于DM9000的以太網(wǎng)電路，單片機(jī)端移植精簡(jiǎn)TCP／IP協(xié)議棧unIP，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的TCP服務(wù)器。對(duì)該簡(jiǎn)易的TCP服務(wù)器進(jìn)行改造，把藏文網(wǎng)頁(yè)存儲(chǔ)到TCP服務(wù)器中，利用互聯(lián)網(wǎng)直接訪問(wèn)該藏文TCP服務(wù)器，直接控制家用電器。這種小型化的、以單片機(jī)為基礎(chǔ)的TCP服務(wù)器，接入到任何有互聯(lián)網(wǎng)的端口，用戶通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)輕松實(shí)現(xiàn)家電控制。該藏文信息平臺(tái)給藏族同胞帶來(lái)較為人性化的信息服務(wù)，具有一定的推廣前景。
關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)；單片機(jī)；TCP；IP；服務(wù)器隨著IT技術(shù)，特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)給人們的生活帶來(lái)了方便與快捷，這也使得“智能住宅”、“家庭自動(dòng)化”等技術(shù)倍受關(guān)注。盡管目前從事網(wǎng)絡(luò)家電控制方面設(shè)計(jì)人員較多，但以少數(shù)民族語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的相關(guān)設(shè)計(jì)卻很少。本方案正是基于藏文信息交流平臺(tái)，結(jié)合目前網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)，立足廣大藏族同胞的實(shí)際而提出的，它是以SPCE061A為主控制器，DM9000為以太網(wǎng)MAC控制器，配合一定的外圍電路而實(shí)現(xiàn)的基于TCP／IP協(xié)議棧的簡(jiǎn)易服務(wù)器。當(dāng)用戶通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)該服務(wù)器存儲(chǔ)的藏語(yǔ)網(wǎng)頁(yè)時(shí)，服務(wù)器會(huì)解析出用戶的相應(yīng)操作指令并將其轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，借助控制電路對(duì)相應(yīng)家電進(jìn)行控制。
關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)；單片機(jī)；TCP；IP；服務(wù)器

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)簡(jiǎn)單易行的網(wǎng)絡(luò)家電終端設(shè)備，利用互聯(lián)網(wǎng)資源使廣大藏族同胞在工作的同時(shí)可輕松自如地控制家電。基于以上考慮，因此，該終端設(shè)備能夠與因特網(wǎng)相互通信；TCP服務(wù)器必須提供藏文服務(wù)，方便藏族同胞操作；終端設(shè)備操作簡(jiǎn)單明了；采用交流220 V供電；具有指示燈和藏語(yǔ)語(yǔ)音播報(bào)等操作指示；考慮到安全性，必須密碼登錄，同時(shí)能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控家電狀態(tài)。

    圖l為該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)組成框圖，主要由SPCE061A主控板、DM9000控制模塊、電源電路、外接電器控制電路、揚(yáng)聲器組成。其中，DM9000以太網(wǎng)控制模塊通過(guò)16位單片機(jī)SPCE061A直接控制，完成相應(yīng)數(shù)據(jù)包的收發(fā)和解析，解析完成后，再由SPCE06iA向外接電器控制電路、揚(yáng)聲器以及指示燈模塊發(fā)出操作指令，進(jìn)而控制家電。
1．1 SPCE061A主控板
    高性價(jià)比、16位單片機(jī)SPCE061A可方便靈活實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的錄放系統(tǒng)，該器件擁有8路10位精度的A／D轉(zhuǎn)換器，其中l(wèi)路為音頻轉(zhuǎn)換通道，內(nèi)置自動(dòng)增益電路，便于實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音錄入：2路10位精度的A／D轉(zhuǎn)換器，只需要外接功放(SPY0030A)即可完成語(yǔ)音播放。另外，該器件還具有易學(xué)易用的效率較高的指令系統(tǒng)和集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。在此環(huán)境中，可實(shí)現(xiàn)C語(yǔ)言與凌陽(yáng)匯編語(yǔ)言的互相調(diào)用，并提供語(yǔ)音錄放的庫(kù)函數(shù)，只要了解庫(kù)函數(shù)使用，就很容易完成語(yǔ)音錄放。
    SPCE061A主要特性如下：16位un’SP微處理器：內(nèi)核工作電壓VDD為3．3～3．6 V(CPU)，IO端口工作電壓VDH為VDD～5．5 V；CPU時(shí)鐘為0．32～49．152 MHz：內(nèi)置32 K字Flash；可編程音頻處理；32位通用可編程輸入／輸出端口；14個(gè)中斷源來(lái)自于定時(shí)器A／B，時(shí)基，2個(gè)外部時(shí)鐘源輸入，鍵喚醒；使用凌陽(yáng)音頻編碼SACM S240方式(2．4 kbit／s)，能存儲(chǔ)210 s的語(yǔ)音數(shù)據(jù)：鎖相環(huán)PLL振蕩器提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)。這里需要注意的是：I／O連線不能接反，采用穩(wěn)壓電源供電，且電壓為5～6 V；流經(jīng)I／O端口的電流不宜過(guò)大，防止I／O端口燒壞。
1．2 以太網(wǎng)模塊
    以太網(wǎng)模塊是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包收發(fā)控制模塊，該模塊與控制器配合，除了可完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包收發(fā)外，還具有4 Mbit的串行Flash存儲(chǔ)器SPR4096，為用戶提供一個(gè)較大容量的存儲(chǔ)空間。在網(wǎng)絡(luò)中可自動(dòng)獲得同設(shè)定MAC地址一致的IP包，完成IP包的收發(fā)。該設(shè)計(jì)方案中以SPCE06lA單片機(jī)為主控制器，用以控制DM9000完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包收發(fā)以及TCP／IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)。DM9000主要特性如下：工作電壓為5 V，與MCU連接模式有ISA 8 bit／ISA 16 bit模式，并支持3．3 V和5 V的I／O控制；支且持EEPROM(93C46)，可供存放系統(tǒng)所需信息。圖2給出該以太網(wǎng)模塊的硬件電路連接。

    這里需注意的是：SPCE06lA主控板和以太網(wǎng)模塊必須共地，最好采用同一電源供電，該以太網(wǎng)模塊供電電壓必須為5 V，控制I／O端口電壓為3．3 V；SPCE061A主控板和以太網(wǎng)模塊之間用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂凭€的長(zhǎng)度應(yīng)不超過(guò)20 cm；供電電流大于200 mA。
1．3 控制電路
    外接電器控制電路是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)到電器控制的主體，單片機(jī)通過(guò)處理網(wǎng)頁(yè)得到用戶的操作指令，將指令轉(zhuǎn)化為電信號(hào)通過(guò)單片機(jī)的I／O接口送給外接電器控制電路，經(jīng)三極管的兩級(jí)放大，再通過(guò)繼電器完成外接電器與交流220 V電源的接通和斷開(kāi)以及指示燈的點(diǎn)亮和熄滅等操作。圖3為控制電路原理圖。

    在設(shè)計(jì)該控制電路時(shí)，應(yīng)注意的是：控制電路的繼電器工作電壓為6 V，但實(shí)際供電電壓應(yīng)大于6 V，以保證繼電器更好的工作；指令控制端口的電壓應(yīng)為5 V，如果達(dá)不到，應(yīng)加放大電路放大，以免影響指令執(zhí)行。
1．4 電源及供電轉(zhuǎn)換電路
    該電源電路設(shè)計(jì)是將交流220 V通過(guò)變壓器轉(zhuǎn)換成直流9 V，為外接電器控制電路供電，同時(shí)在通過(guò)三端集成穩(wěn)壓器7805將直流12 V轉(zhuǎn)換成5 V，分別給SPCE061A主控板和以太網(wǎng)模塊供電。這樣可使用戶采用最常用的電源，即可為對(duì)該設(shè)備供電。其電路如圖4所示。

    圖4中，變壓器的選擇要合適，三端集成穩(wěn)壓器要做好散熱設(shè)備，以免燒壞，導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備無(wú)法正常工作。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2．1 服務(wù)器程序
    根據(jù)需求分析，軟件設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)在藏文基礎(chǔ)上的TCP服務(wù)器，同時(shí)，考慮到人性化，在家電動(dòng)作方面也給出藏文語(yǔ)音提示，其核心是unIP的移植和TCP服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)。其中，unIP協(xié)議棧是運(yùn)行在凌陽(yáng)公司unSP系列單片機(jī)上的一個(gè)精簡(jiǎn)TCP／IP協(xié)議棧。協(xié)議棧的初始版本由LwIP移植而來(lái)，它不僅僅只是LwIP說(shuō)明的arch目錄下的改動(dòng), core部分也做了不少的修改以適應(yīng)unSP的16 bit的特性到協(xié)議棧中，unSP并不具有8 bit的數(shù)據(jù)類(lèi)型，地址也是以16 bit為單位，因此unIP與LwIP并不兼容，此外還增加DNS Client域名解析客戶端以及分應(yīng)用實(shí)例，例如WEB SERVER等。保持協(xié)議棧的完整性。該設(shè)計(jì)方案需利用unIP協(xié)議棧中提供的運(yùn)輸層TCP協(xié)議，建立應(yīng)用層HTTP協(xié)議，以便完成Web服務(wù)器，使得網(wǎng)頁(yè)和服務(wù)器的數(shù)據(jù)能夠相互通信。
    單片機(jī)端TCP服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)：HTTP協(xié)議是一個(gè)常見(jiàn)應(yīng)用層協(xié)議，它是基于TCP協(xié)議的。在本方案中通過(guò)unIP提供的TCP／IP協(xié)議的一些接口函數(shù)API實(shí)現(xiàn)該應(yīng)用層協(xié)議。實(shí)現(xiàn)整個(gè)服務(wù)器的具體思路為：
    1)初始化unIP協(xié)議棧，然后使用DM9000創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，添加至unIP協(xié)議棧內(nèi)，并將其設(shè)置為unlP協(xié)議棧的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)接口。
    2)申請(qǐng)創(chuàng)建一個(gè)TCP協(xié)議控制塊，并將其配置為監(jiān)聽(tīng)80端口(Web 服務(wù)的默認(rèn)端口)，同時(shí)設(shè)置好TCP協(xié)議接收連接的回調(diào)函數(shù)(指用戶將自行定義的函數(shù)的函數(shù)指針通過(guò)某種方式告訴協(xié)議棧，使得協(xié)議棧在適當(dāng)時(shí)候，通過(guò)該函數(shù)指針調(diào)用該函數(shù)，從而執(zhí)行用戶操作)。
    3)建立循環(huán)，在循環(huán)中不斷檢測(cè)DM9000是否有新的數(shù)據(jù)輸入，并將接收到的數(shù)據(jù)包送至協(xié)議棧處理。當(dāng)TCP的3次握手完成后，協(xié)議棧自動(dòng)調(diào)用用戶設(shè)置好的接收連接回調(diào)函數(shù)，交由應(yīng)用層處理連接建立后的事宜。
    由上述思路，構(gòu)思出基于TCP協(xié)議的服務(wù)器的流程，如圖5所示。

2．2 藏文網(wǎng)頁(yè)部分設(shè)計(jì)
    藏文網(wǎng)頁(yè)的實(shí)現(xiàn)有兩種方案：使用圖片形式和標(biāo)準(zhǔn)藏文國(guó)際編碼(UTF-8)。前者是所有的操作系統(tǒng)都可打開(kāi)所做的藏文網(wǎng)頁(yè)。但處理過(guò)程相對(duì)繁瑣；后者采用國(guó)際藏文編碼，網(wǎng)頁(yè)制作簡(jiǎn)單，但所做的網(wǎng)頁(yè)必須在裝有藏文字庫(kù)的系統(tǒng)上顯示。本方案的網(wǎng)頁(yè)需通過(guò)網(wǎng)頁(yè)轉(zhuǎn)換工具將相應(yīng)的網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到單片機(jī)中。由于網(wǎng)頁(yè)轉(zhuǎn)換工具無(wú)法保存圖片信息，故只能選擇后者。
    監(jiān)控界面在本方案中以3個(gè)電器(空調(diào)、燈、音樂(lè))為例設(shè)計(jì)的，電器的操作設(shè)計(jì)通過(guò)按鈕控制，電器狀態(tài)的監(jiān)控通過(guò)游走的表顯示，當(dāng)未對(duì)電器操作時(shí)電器的狀態(tài)默認(rèn)為“C”(關(guān)閉)，當(dāng)電器被打開(kāi)后狀態(tài)欄的狀態(tài)是“0”(打開(kāi))，其網(wǎng)頁(yè)如圖6所示。

    制作好的藏語(yǔ)網(wǎng)頁(yè)文件經(jīng)過(guò)“NetpagetoC”網(wǎng)頁(yè)轉(zhuǎn)換工具將網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成C文件添加到相應(yīng)的工程位置中，從而完成網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)在SPCE0-6lA與以太網(wǎng)模塊所構(gòu)成的服務(wù)器中的存儲(chǔ)。

3 系統(tǒng)測(cè)試
    將以DM9000以太網(wǎng)模組和單片機(jī)組成的TCP服務(wù)器終端直接接到交換機(jī)上，即可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)該終端設(shè)備。把TCP服務(wù)器接好后，通過(guò)能夠連接Internet的PC機(jī)即可直接登陸到該TCP服務(wù)器，并且可設(shè)置相應(yīng)的家用電器的狀態(tài)。本方案采用控制接線板供電線路的開(kāi)關(guān)進(jìn)行模擬。登陸TCP服務(wù)器后，點(diǎn)擊家用電器的開(kāi)或關(guān)，在網(wǎng)絡(luò)通暢時(shí)，家用電器能夠在小于l s的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)PC機(jī)的控制指令。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主控板消耗電流20 mA；太網(wǎng)模組消耗電流為212 mA；接線板控制驅(qū)動(dòng)電路消耗電流40 mA。

4 結(jié)論
    經(jīng)測(cè)試各項(xiàng)功能指標(biāo)均達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。本方案結(jié)合西藏地區(qū)人民日益增長(zhǎng)的物質(zhì)文化生活的需要，立足于解決和提升藏族同胞實(shí)際的生活質(zhì)量，在需求方面盡量考慮藏民們需要的同時(shí)，具有操作簡(jiǎn)便，界面友好等特點(diǎn)。進(jìn)一步開(kāi)發(fā)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其將具有一定的市場(chǎng)前景。