MCU應(yīng)用系統(tǒng)與Internet連接的一種新技術(shù)

摘要：介紹一種新型的智能網(wǎng)絡(luò)接口芯片PS2000及其應(yīng)用。PS2000是Webchip網(wǎng)絡(luò)接口系列中的重要成員，通過(guò)它可以實(shí)現(xiàn)智能裝置與PC機(jī)平臺(tái)的網(wǎng)關(guān)接口，使智能裝置通過(guò)PS2000上網(wǎng)十分方便，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)這樣的系統(tǒng)時(shí)無(wú)須熟知網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

    關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)接口芯片 Internet Webchip PS2000 MCU Gateway

前言

今天為們生活在一個(gè)信息時(shí)代，Internet已經(jīng)成為信息社會(huì)的重要組成部分，Internet技術(shù)將深入到日常生活和工作所用到的電子設(shè)備中。我們知道，Internet技術(shù)得以迅速發(fā)展的主要推動(dòng)力之一是標(biāo)準(zhǔn)十分成熟的PC工業(yè)。無(wú)論是PC機(jī)的硬件平臺(tái)，還是軟件操作系統(tǒng)都高度標(biāo)準(zhǔn)化，上網(wǎng)的操作方式也不同小異。然而，對(duì)于各類(lèi)智能裝置和家用電器情況就不同了，它們的“心臟”是一顆被稱(chēng)之為微控制器（MCU）的芯片，俗稱(chēng)單片機(jī)。由于微控制器芯片品種達(dá)數(shù)百種，這些微控制器的硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)各不相同，因此，不能像PC機(jī)那樣通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的硬件接口和接口軟件直接接入Internet網(wǎng)絡(luò)。如何讓各類(lèi)智能裝置或家用電器與Internet連接起來(lái)，既能充分利用現(xiàn)有的Internet技術(shù)和資源，又能以很低的成本將各類(lèi)智能裝置或家用電器與Internet連接起來(lái)，以便人們能夠遠(yuǎn)程獲得這些電子設(shè)備的信息并控制它們的運(yùn)行，已成為今天信息界關(guān)注的焦點(diǎn)。

目前國(guó)內(nèi)外許多廠(chǎng)家正在研制和推廣網(wǎng)絡(luò)芯片。由武漢力源電源股份有限公司研制并具有自主產(chǎn)權(quán)的Web接口芯片Webchip，既能滿(mǎn)足上述功能又具有低成本、易于掌握等優(yōu)點(diǎn)，是智能裝置和家電產(chǎn)品連接Internet的理想“橋梁”。它可將Internet技術(shù)延伸到更為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。

由于Webchip是一種獨(dú)立于各種微控制器的通用標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，工程師使用Webchip開(kāi)發(fā)具有網(wǎng)絡(luò)功能的智能裝置時(shí)，既不需要了解復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也不需要改原來(lái)已成熟的設(shè)計(jì)，只須增加一小段和Webchip通信的接口程序即可。因此，用戶(hù)能夠大大縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

一、PS2000的結(jié)構(gòu)與原理簡(jiǎn)介

PS2000是Webchip網(wǎng)絡(luò)接口系列中的重要成員，其原理框圖如圖1所示。它主要由核心控制單元、UART、嵌入式Modem接口模塊、標(biāo)準(zhǔn)Modem接口、RS-485收發(fā)控制單元、LED顯示控制、DS2401接口、SPI接口模塊等組成。

核心控制單元主要實(shí)現(xiàn)通信和協(xié)議轉(zhuǎn)換；DS2401接口為電子標(biāo)簽接口，用于連接DS2401集成電路，為電子設(shè)備提供惟一的電子標(biāo)準(zhǔn)；通過(guò)SPI串行接口，可與MCU應(yīng)用系統(tǒng)方便連接；狀態(tài)顯示接口能直接驅(qū)動(dòng)LED；有多種串行通信方式可供選擇——可外接RS-232、RS485、嵌入式Modem或標(biāo)準(zhǔn)Modem等接口電路，也可選用RF或IrDA通信方式。PS2000為44腳MQFP封裝，采用單5V電源，具有體積小、功耗低、與emGateway TM的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議兼容等特點(diǎn)。

PS2000片內(nèi)駐留有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議解釋與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議編譯程序模塊。它與MCU應(yīng)用系統(tǒng)的信息交換由17條簡(jiǎn)單的指令進(jìn)行控制；與PC機(jī)網(wǎng)關(guān)通信時(shí)，負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行規(guī)范或解釋。由于PC機(jī)網(wǎng)關(guān)能提供HTTP服務(wù)，可以與計(jì)算機(jī)瀏覽器（Netscape,Internet Explore等）接口，故MCU應(yīng)用系統(tǒng)通過(guò)PS2000上網(wǎng)十分方便。

二、MCU應(yīng)用系統(tǒng)與Internet的連接

1.PS2000與基于PC平臺(tái)的網(wǎng)關(guān)通信

PS2000與PC機(jī)的連接十分靈活，可選用RS232、RS485，Modem之一進(jìn)行通信，以滿(mǎn)足遠(yuǎn)/近程、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信要求。通過(guò)PS2000通信控制單元的通信控制字可選擇RS232，RS485，Modem進(jìn)行通信。

2.MCUNet協(xié)議簡(jiǎn)介

PS2000內(nèi)部固化了MCUNet協(xié)議。MCUNet協(xié)議是MCU電子設(shè)備與計(jì)算機(jī)平臺(tái)上的Gateway建立聯(lián)系的一種軟件協(xié)議，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)，與emGateway和OSGI協(xié)議兼容。

首先，MCUNet協(xié)議規(guī)定了一種主從關(guān)系，Gateway永遠(yuǎn)是主系統(tǒng)（master），而電子設(shè)備永遠(yuǎn)是從系統(tǒng)（slave）。Gateway可以授權(quán)電子設(shè)備回?fù)埽–allback）。

其次，MCUNet定義了電子設(shè)備系統(tǒng)的狀態(tài)性能參數(shù)表（capabilities table）和變量表（variables table）。電子設(shè)備與Gateway之間信息交換的過(guò)程是建立在MCU系統(tǒng)狀態(tài)性能參數(shù)表和變量表基礎(chǔ)上的。

電子設(shè)備的系統(tǒng)狀態(tài)性能參數(shù)表的作用是把電子設(shè)備系統(tǒng)的一些特性參數(shù)告訴Gateway，如系統(tǒng)變量表中變量的個(gè)數(shù)、變量表所占用的字節(jié)數(shù)、非易失性存儲(chǔ)器的大小、字符串的表達(dá)類(lèi)型（ASCII，UNICODE或其他）等。

電子設(shè)備的系數(shù)變量表的作用就是把MCU與Gateway之間需要交換的信息羅列出來(lái)，通過(guò)一個(gè)變量表來(lái)表達(dá)。MCU與Gateway之間所有交換的信息都在這個(gè)變量表的表達(dá)范圍之內(nèi)。超出變量表的信息，Grateway將不予受理。

3.PS2000與MCU接口

MCU應(yīng)用系統(tǒng)一般都是以單片機(jī)為核心的一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)。以MCS-51單片機(jī)為例，PS2000與MCS-51單片機(jī)的連接如圖2所示。

4.MCU應(yīng)用系統(tǒng)與Internet連接的方案

MCU應(yīng)用系統(tǒng)采用Webchip PS2000接入Internet的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。MCU應(yīng)用系統(tǒng)通過(guò)PS2000網(wǎng)絡(luò)芯片的標(biāo)準(zhǔn)SPI串口與Gateway網(wǎng)關(guān)連接。具Gateway網(wǎng)關(guān)的計(jì)算機(jī)可以是一臺(tái)以Windows操作系統(tǒng)為平臺(tái)的普通桌面PC機(jī)。一方面，它支持復(fù)雜的Internet TCP/IP協(xié)議并能提供HTTP服務(wù)，從而允許客戶(hù)通過(guò)現(xiàn)在普遍使用的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器來(lái)遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)它。在這里，它的作用像Internet網(wǎng)上的服務(wù)器；另一方面，Gateway通過(guò)RS232，RS485和CAN總線(xiàn)等輕量級(jí)網(wǎng)以及Modem，RF，IrDA等方式，將多個(gè)嵌入式設(shè)備或智能家電連接在一起，并擔(dān)當(dāng)TCP/IP和輕量級(jí)網(wǎng)之間有關(guān)協(xié)議的轉(zhuǎn)換任務(wù)。在這里，它的作用類(lèi)似Internet網(wǎng)絡(luò)上的網(wǎng)關(guān)。

PS2000內(nèi)部固化了MCUNet協(xié)議，它與emGateway和OSGI協(xié)議兼容。應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員完全不必考慮任何網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，只須解釋并執(zhí)行PS2000傳送過(guò)來(lái)的指令和數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)與Internet網(wǎng)絡(luò)連接。MCUNet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議由PS2000來(lái)完成，如同設(shè)計(jì)一個(gè)UART系統(tǒng)時(shí)選用UART接口芯片一樣。

如果將Webchip和通信物理層接口組合起來(lái)，就形成了Webchip模塊。它同樣可以作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)部件供用戶(hù)選購(gòu)。選用Webchip將電子設(shè)備與Internet連接可以節(jié)省MCU的資源，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、方便、成本低。

三、Webchip網(wǎng)絡(luò)接口芯片的應(yīng)用

1.公共服務(wù)設(shè)施

用Webchip設(shè)計(jì)或改造計(jì)費(fèi)電話(huà)和自動(dòng)售貨機(jī)這樣的智能設(shè)備，可使其增加網(wǎng)絡(luò)功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程上網(wǎng)、控制、故障診斷和程序更新，從而削減操作和維護(hù)費(fèi)用，改善用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量并增加利潤(rùn)。例如，通過(guò)嵌入式Internet網(wǎng)，服務(wù)公司可及了解自動(dòng)售貨機(jī)內(nèi)各種產(chǎn)品的存貨情況，以便及時(shí)為它補(bǔ)充物品。

2.工業(yè)自動(dòng)化

工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)大量使用8位和16位微控制器，是Webchip的重要應(yīng)用領(lǐng)域，如工業(yè)過(guò)程控制、電力系統(tǒng)監(jiān)控、遠(yuǎn)程抄表、石油化工系統(tǒng)和自動(dòng)生產(chǎn)流水線(xiàn)等。網(wǎng)絡(luò)化是提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、減少人力資源的重要手段。

3.家庭醫(yī)療保健

引入能夠上網(wǎng)的智能化醫(yī)療設(shè)備，為家庭保健和醫(yī)院病人的護(hù)理開(kāi)辟了一個(gè)嶄新的服務(wù)市場(chǎng)。這種設(shè)備特別適用于老、弱、病、殘和患有慢性病，需要頻繁監(jiān)護(hù)的病人。例如，有高血壓病史的病人可每天使用與醫(yī)院聯(lián)網(wǎng)的血壓計(jì)測(cè)量血壓，將測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞并顯示在醫(yī)院的電腦顯示器上。如果血壓超過(guò)正常值范圍，還可發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

4.智能化家電

未來(lái)幾年，各種家用電器如冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、微波爐、電飯煲和電熱水器等都將實(shí)現(xiàn)智能化，只要在其中內(nèi)置一塊Webchip就能將它們連接到Internet網(wǎng)。這會(huì)帶來(lái)兩方面的好處：一方面，使用者可通過(guò)手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理和PC上的Web瀏覽器對(duì)它們進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；另一方面，家電制造商可通過(guò)Internet對(duì)售出的產(chǎn)品進(jìn)行監(jiān)控。如果出現(xiàn)故障，會(huì)自動(dòng)發(fā)出維修請(qǐng)求信號(hào)，并指出故障部位，從而使售后服務(wù)更為迅捷。

5.能源管理和收費(fèi)

水、電、氣是現(xiàn)代家庭必須的三種能源。能源公司為了解用戶(hù)的用量，必須派人按月到每家抄取用量以便計(jì)算出所要交納的費(fèi)用，這是十分費(fèi)力費(fèi)時(shí)的。利用Webchip和Internet技術(shù)，能源公司就能通過(guò)家庭電話(huà)線(xiàn)或Internet接口裝置遠(yuǎn)程獲取成千上萬(wàn)個(gè)家庭的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)電子收費(fèi)，從而大大提高勞動(dòng)效率，減少成本開(kāi)支，增加收入。

6.安全保障服務(wù)業(yè)

安全保障服務(wù)在商業(yè)領(lǐng)域如酒店、辦公樓以及家庭方興未艾。利用Webchip技術(shù)，可使這類(lèi)安全系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)和遙控，提高系統(tǒng)的可靠性和作用范圍。