基于DM9000的以太網(wǎng)藏文信息控制平臺

摘要：基于DM9000的以太網(wǎng)電路，單片機端移植精簡TCP／IP協(xié)議棧unIP，實現(xiàn)簡易的TCP服務器。對該簡易的TCP服務器進行改造，把藏文網(wǎng)頁存儲到TCP服務器中，利用互聯(lián)網(wǎng)直接訪問該藏文TCP服務器，直接控制家用電器。這種小型化的、以單片機為基礎的TCP服務器，接入到任何有互聯(lián)網(wǎng)的端口，用戶通過互聯(lián)網(wǎng)輕松實現(xiàn)家電控制。該藏文信息平臺給藏族同胞帶來較為人性化的信息服務，具有一定的推廣前景。
關鍵詞：以太網(wǎng)；單片機；TCP；IP；服務器隨著IT技術，特別是網(wǎng)絡技術的發(fā)展，網(wǎng)絡給人們的生活帶來了方便與快捷，這也使得“智能住宅”、“家庭自動化”等技術倍受關注。盡管目前從事網(wǎng)絡家電控制方面設計人員較多，但以少數(shù)民族語言開發(fā)的相關設計卻很少。本方案正是基于藏文信息交流平臺，結(jié)合目前網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢，立足廣大藏族同胞的實際而提出的，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現(xiàn)的基于TCP／IP協(xié)議棧的簡易服務器。當用戶通過瀏覽器訪問該服務器存儲的藏語網(wǎng)頁時，服務器會解析出用戶的相應操作指令并將其轉(zhuǎn)化成電信號，借助控制電路對相應家電進行控制。
關鍵詞：以太網(wǎng)；單片機；TCP；IP；服務器

1 系統(tǒng)硬件設計
    該系統(tǒng)設計是一個簡單易行的網(wǎng)絡家電終端設備，利用互聯(lián)網(wǎng)資源使廣大藏族同胞在工作的同時可輕松自如地控制家電。基于以上考慮，因此，該終端設備能夠與因特網(wǎng)相互通信；TCP服務器必須提供藏文服務，方便藏族同胞操作；終端設備操作簡單明了；采用交流220 V供電；具有指示燈和藏語語音播報等操作指示；考慮到安全性，必須密碼登錄，同時能夠通過互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控家電狀態(tài)。

    圖l為該系統(tǒng)硬件設計組成框圖，主要由SPCE061A主控板、DM9000控制模塊、電源電路、外接電器控制電路、揚聲器組成。其中，DM9000以太網(wǎng)控制模塊通過16位單片機SPCE061A直接控制，完成相應數(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、揚聲器以及指示燈模塊發(fā)出操作指令，進而控制家電。
1．1 SPCE061A主控板
    高性價比、16位單片機SPCE061A可方便靈活實現(xiàn)語音的錄放系統(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)置自動增益電路，便于實現(xiàn)語音錄入：2路10位精度的A／D轉(zhuǎn)換器，只需要外接功放(SPY0030A)即可完成語音播放。另外，該器件還具有易學易用的效率較高的指令系統(tǒng)和集成開發(fā)環(huán)境。在此環(huán)境中，可實現(xiàn)C語言與凌陽匯編語言的互相調(diào)用，并提供語音錄放的庫函數(shù)，只要了解庫函數(shù)使用，就很容易完成語音錄放。
    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個中斷源來自于定時器A／B，時基，2個外部時鐘源輸入，鍵喚醒；使用凌陽音頻編碼SACM S240方式(2．4 kbit／s)，能存儲210 s的語音數(shù)據(jù)：鎖相環(huán)PLL振蕩器提供系統(tǒng)時鐘信號。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存儲器SPR4096，為用戶提供一個較大容量的存儲空間。在網(wǎng)絡中可自動獲得同設定MAC地址一致的IP包，完成IP包的收發(fā)。該設計方案中以SPCE06lA單片機為主控制器，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€的長度應不超過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現(xiàn)單片機到電器控制的主體，單片機通過處理網(wǎng)頁得到用戶的操作指令，將指令轉(zhuǎn)化為電信號通過單片機的I／O接口送給外接電器控制電路，經(jīng)三極管的兩級放大，再通過繼電器完成外接電器與交流220 V電源的接通和斷開以及指示燈的點亮和熄滅等操作。圖3為控制電路原理圖。

    在設計該控制電路時，應注意的是：控制電路的繼電器工作電壓為6 V，但實際供電電壓應大于6 V，以保證繼電器更好的工作；指令控制端口的電壓應為5 V，如果達不到，應加放大電路放大，以免影響指令執(zhí)行。
1．4 電源及供電轉(zhuǎn)換電路
    該電源電路設計是將交流220 V通過變壓器轉(zhuǎn)換成直流9 V，為外接電器控制電路供電，同時在通過三端集成穩(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，即可為對該設備供電。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)壓器要做好散熱設備，以免燒壞，導致整個設備無法正常工作。

2 系統(tǒng)軟件設計
2．1 服務器程序
    根據(jù)需求分析，軟件設計需要實現(xiàn)在藏文基礎上的TCP服務器，同時，考慮到人性化，在家電動作方面也給出藏文語音提示，其核心是unIP的移植和TCP服務器的實現(xiàn)。其中，unIP協(xié)議棧是運行在凌陽公司unSP系列單片機上的一個精簡TCP／IP協(xié)議棧。協(xié)議棧的初始版本由LwIP移植而來，它不僅僅只是LwIP說明的arch目錄下的改動, core部分也做了不少的修改以適應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用實例，例如WEB SERVER等。保持協(xié)議棧的完整性。該設計方案需利用unIP協(xié)議棧中提供的運輸層TCP協(xié)議，建立應用層HTTP協(xié)議，以便完成Web服務器，使得網(wǎng)頁和服務器的數(shù)據(jù)能夠相互通信。
    單片機端TCP服務器的實現(xiàn)：HTTP協(xié)議是一個常見應用層協(xié)議，它是基于TCP協(xié)議的。在本方案中通過unIP提供的TCP／IP協(xié)議的一些接口函數(shù)API實現(xiàn)該應用層協(xié)議。實現(xiàn)整個服務器的具體思路為：
    1)初始化unIP協(xié)議棧，然后使用DM9000創(chuàng)建一個網(wǎng)絡接口，添加至unIP協(xié)議棧內(nèi)，并將其設置為unlP協(xié)議棧的默認網(wǎng)絡接口。
    2)申請創(chuàng)建一個TCP協(xié)議控制塊，并將其配置為監(jiān)聽80端口(Web 服務的默認端口)，同時設置好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)指針通過某種方式告訴協(xié)議棧，使得協(xié)議棧在適當時候，通過該函數(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TCP的3次握手完成后，協(xié)議棧自動調(diào)用用戶設置好的接收連接回調(diào)函數(shù)，交由應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)議的服務器的流程，如圖5所示。

2．2 藏文網(wǎng)頁部分設計
    藏文網(wǎng)頁的實現(xiàn)有兩種方案：使用圖片形式和標準藏文國際編碼(UTF-8)。前者是所有的操作系統(tǒng)都可打開所做的藏文網(wǎng)頁。但處理過程相對繁瑣；后者采用國際藏文編碼，網(wǎng)頁制作簡單，但所做的網(wǎng)頁必須在裝有藏文字庫的系統(tǒng)上顯示。本方案的網(wǎng)頁需通過網(wǎng)頁轉(zhuǎn)換工具將相應的網(wǎng)頁數(shù)據(jù)存儲到單片機中。由于網(wǎng)頁轉(zhuǎn)換工具無法保存圖片信息，故只能選擇后者。
    監(jiān)控界面在本方案中以3個電器(空調(diào)、燈、音樂)為例設計的，電器的操作設計通過按鈕控制，電器狀態(tài)的監(jiān)控通過游走的表顯示，當未對電器操作時電器的狀態(tài)默認為“C”(關閉)，當電器被打開后狀態(tài)欄的狀態(tài)是“0”(打開)，其網(wǎng)頁如圖6所示。

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

3 系統(tǒng)測試
    將以DM9000以太網(wǎng)模組和單片機組成的TCP服務器終端直接接到交換機上，即可通過互聯(lián)網(wǎng)訪問該終端設備。把TCP服務器接好后，通過能夠連接Internet的PC機即可直接登陸到該TCP服務器，并且可設置相應的家用電器的狀態(tài)。本方案采用控制接線板供電線路的開關進行模擬。登陸TCP服務器后，點擊家用電器的開或關，在網(wǎng)絡通暢時，家用電器能夠在小于l s的時間內(nèi)響應PC機的控制指令。該系統(tǒng)設計的主控板消耗電流20 mA；太網(wǎng)模組消耗電流為212 mA；接線板控制驅(qū)動電路消耗電流40 mA。

4 結(jié)論
    經(jīng)測試各項功能指標均達到系統(tǒng)設計要求。本方案結(jié)合西藏地區(qū)人民日益增長的物質(zhì)文化生活的需要，立足于解決和提升藏族同胞實際的生活質(zhì)量，在需求方面盡量考慮藏民們需要的同時，具有操作簡便，界面友好等特點。進一步開發(fā)該系統(tǒng)設計，其將具有一定的市場前景。