MCU應用系統與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)現智能裝置與PC機平臺的網(wǎng)關(guān)接口，使智能裝置通過(guò)PS2000上網(wǎng)十分方便，設計者在設計這樣的系統時(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)力之一是標準十分成熟的PC工業(yè)。無(wú)論是PC機的硬件平臺，還是軟件操作系統都高度標準化，上網(wǎng)的操作方式也不同小異。然而，對于各類(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。由于微控制器芯片品種達數百種，這些微控制器的硬件結構和指令系統各不相同，因此，不能像PC機那樣通過(guò)標準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)，以便人們能夠遠程獲得這些電子設備的信息并控制它們的運行，已成為今天信息界關(guān)注的焦點(diǎn)。

目前國內外許多廠(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用領(lǐng)域。

由于Webchip是一種獨立于各種微控制器的通用標準化產(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)，既不需要了解復雜的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，也不需要改原來(lái)已成熟的設計，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的結構與原理簡(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、標準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)現通信和協(xié)議轉換；DS2401接口為電子標簽接口，用于連接DS2401集成電路，為電子設備提供惟一的電子標準；通過(guò)SPI串行接口，可與MCU應用系統方便連接；狀態(tài)顯示接口能直接驅動(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或標準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應用系統的信息交換由17條簡(jiǎn)單的指令進(jìn)行控制；與PC機網(wǎng)關(guān)通信時(shí)，負責對網(wǎng)絡(luò )協(xié)議進(jìn)行規范或解釋。由于PC機網(wǎng)關(guān)能提供HTTP服務(wù)，可以與計算機瀏覽器（Netscape,Internet Explore等）接口，故MCU應用系統通過(guò)PS2000上網(wǎng)十分方便。

二、MCU應用系統與Internet的連接

1.PS2000與基于PC平臺的網(wǎng)關(guān)通信

PS2000與PC機的連接十分靈活，可選用RS232、RS485，Modem之一進(jìn)行通信，以滿(mǎn)足遠/近程、點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(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內部固化了MCUNet協(xié)議。MCUNet協(xié)議是MCU電子設備與計算機平臺上的Gateway建立聯(lián)系的一種軟件協(xié)議，結構簡(jiǎn)單，功能強，與emGateway和OSGI協(xié)議兼容。

首先，MCUNet協(xié)議規定了一種主從關(guān)系，Gateway永遠是主系統（master），而電子設備永遠是從系統（slave）。Gateway可以授權電子設備回撥（Callback）。

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

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

電子設備的系數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。MCU與Gateway之間所有交換的信息都在這個(gè)變量表的表達范圍之內。超出變量表的信息，Grateway將不予受理。

3.PS2000與MCU接口

MCU應用系統一般都是以單片機為核心的一個(gè)應用系統。以MCS-51單片機為例，PS2000與MCS-51單片機的連接如圖2所示。

4.MCU應用系統與Internet連接的方案

MCU應用系統采用Webchip PS2000接入Internet的網(wǎng)絡(luò )結構如圖3所示。MCU應用系統通過(guò)PS2000網(wǎng)絡(luò )芯片的標準SPI串口與Gateway網(wǎng)關(guān)連接。具Gateway網(wǎng)關(guān)的計算機可以是一臺以Windows操作系統為平臺的普通桌面PC機。一方面，它支持復雜的Internet TCP/IP協(xié)議并能提供HTTP服務(wù)，從而允許客戶(hù)通過(guò)現在普遍使用的網(wǎng)絡(luò )瀏覽器來(lái)遠程訪(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)等輕量級網(wǎng)以及Modem，RF，IrDA等方式，將多個(gè)嵌入式設備或智能家電連接在一起，并擔當TCP/IP和輕量級網(wǎng)之間有關(guān)協(xié)議的轉換任務(wù)。在這里，它的作用類(lèi)似Internet網(wǎng)絡(luò )上的網(wǎng)關(guān)。

PS2000內部固化了MCUNet協(xié)議，它與emGateway和OSGI協(xié)議兼容。應用系統設計人員完全不必考慮任何網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，只須解釋并執行PS2000傳送過(guò)來(lái)的指令和數據就可以實(shí)現與Internet網(wǎng)絡(luò )連接。MCUNet網(wǎng)絡(luò )協(xié)議由PS2000來(lái)完成，如同設計一個(gè)UART系統時(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)標準部件供用戶(hù)選購。選用Webchip將電子設備與Internet連接可以節省MCU的資源，設計簡(jiǎn)單、方便、成本低。

三、Webchip網(wǎng)絡(luò )接口芯片的應用

1.公共服務(wù)設施

用Webchip設計或改造計費電話(huà)和自動(dòng)售貨機這樣的智能設備，可使其增加網(wǎng)絡(luò )功能，實(shí)現遠程上網(wǎng)、控制、故障診斷和程序更新，從而削減操作和維護費用，改善用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量并增加利潤。例如，通過(guò)嵌入式Internet網(wǎng)，服務(wù)公司可及了解自動(dòng)售貨機內各種產(chǎn)品的存貨情況，以便及時(shí)為它補充物品。

2.工業(yè)自動(dòng)化

工業(yè)自動(dòng)化系統大量使用8位和16位微控制器，是Webchip的重要應用領(lǐng)域，如工業(yè)過(guò)程控制、電力系統監控、遠程抄表、石油化工系統和自動(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.家庭醫療保健

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

4.智能化家電

未來(lái)幾年，各種家用電器如冰箱、空調、洗衣機、微波爐、電飯煲和電熱水器等都將實(shí)現智能化，只要在其中內置一塊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、個(gè)人數字助理和PC上的Web瀏覽器對它們進(jìn)行遠程控制；另一方面，家電制造商可通過(guò)Internet對售出的產(chǎn)品進(jìn)行監控。如果出現故障，會(huì )自動(dòng)發(fā)出維修請求信號，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

水、電、氣是現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算出所要交納的費用，這是十分費力費時(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接口裝置遠程獲取成千上萬(wàn)個(gè)家庭的數據，實(shí)現電子收費，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)安全系統聯(lián)網(wǎng)并實(shí)現遠距離監測和遙控，提高系統的可靠性和作用范圍。