摘? 要: 介紹了一種新型的智能網絡接口芯片PS2000的結構和原理,以及應用它實現智能化家電與Internet連接。PS2000是Webchip網絡接口系列中的重要成員,通過它可以實現智能化家電與PC機平臺的網關接口,使智能化家電通過PS2000上網十分方便,并且設計這樣的系統無需熟知網絡協議。
關鍵詞: 網絡接口芯片? Internet? Webchip? PS2000? MCU? Gateway
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現在人們正處在信息時代,而Internet已經成為信息社會中很重要的組成部分。Internet技術深入到人們日常生活和工作中使用的電子設備中,可使人們快捷方便地查閱和發(fā)布各類信息。同時,人們也希望通過Internet對家用電器進行遠程控制。但令人遺憾的是，PC機及現有的Internet技術顯得過于昂貴,因而并不適用。于是,人們希望開發(fā)一種新技術,既能充分利用現有的Internet技術和資源,又能以很低的成本將它應用到各類智能裝置和家用電器中去。
如今,各類MCU已經廣泛地應用于家用電器中。由于嵌入式微控制器MCU(或稱之為單片機)都嵌入在有關的設備中,沒有自己獨立的外殼,故稱該類設備為嵌入式系統。嵌入式系統能夠提供一定的服務和控制功能,能夠獲取、利用一些信息,但如何讓這些電子設備跟Internet連接起來,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,已成為今天信息界同仁關注的焦點。
目前國內外許多廠家正在研制和推廣網絡芯片。武漢力源電子股份有限公司研制并具有自主產權的Web接口芯片Webchip PS2000,正是智能裝置和家電產品連接Internet的“橋梁”,它可將Internet技術延伸到更為廣闊的應用領域。
1 PS2000的結構與原理
PS2000是Webchip網絡接口系列中的重要成員,通過它可以實現MCU應用系統與基于PC平臺的網關(例如emGatewayTM)接口。
PS2000芯片的原理結構圖如圖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接口模塊、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。
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核心控制單元主要實現通信和協議轉換;DS2401接口為電子標簽接口,用于連接DS2401集成電路,為電子設備提供唯一電子標識;通過SPI串行接口模塊,可與MCU應用系統方便連接;狀態(tài)顯示接口能直接驅動LED;有多種串行通信方式可供選擇:可外接RS-232、RS-485、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emGatewayTM的網絡協議兼容等特點。
PS2000片內駐留有網絡協議解釋與網絡協議編譯程序模塊,MCU應用系統與PC機網關交換信息時,由PS2000擔任網絡協議的解釋和轉換,通過17條簡單的指令進行控制;與PC機網關通信時,負責對網絡協議進行規(guī)范或解釋,由于PC機網關能提供HTTP服務,可以與計算機瀏覽器(Netscape，Internet Explore等)接口,故MCU應用系統通過PS2000上網十分方便,可實現遠程數據采集、管理、遠程設備控制、在線診斷和服務,以及自動將電子設備、智能儀器儀表、家用電器等連入Internet網絡。
2 MCU應用系統與Internet的連接
2.1 PS2000與基于PC平臺的網關通信
PS2000與PC機的連接十分靈活,可選用RS-232、RS-485、MODEM之一進行通信[1],以滿足遠程/近程、點對點或點對多點的通信要求,通過PS2000通信控制單元的通信控制字可選擇RS-232、RS-485、MODEM通信類型。
2.2 MCUNet協議簡介
PS2000內部固化了MCUNet協議,它與emGateway和OSGi協議兼容。MCUNet協議是MCU電子設備與計算機平臺上的Gateway建立聯系的一種軟件協議。MCUNet協議結構簡單、功能很強。
MCUNet協議首先規(guī)定了一種主從關系,Gateway永遠是主叫系統(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之間的信息交換過程是建立在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數、變量表所占用的字節(jié)數、非易失性存儲器的大小、字符串的表達類型(ASCII、UNICODE或其它)等。
電子設備的系統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,通過一個變量表來表達。MCU與Gateway之間的所有交換信息都在這個變量表的表達范圍之內。超出變量表的信息,Gateway將不予受理。
2.3 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。
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2.4 MCU應用系統與Internet連接的可行方案分析比較
第一種方案是通過MCU應用系統的單片機內部固化TCP/IP協議。該方案的優(yōu)點:硬件電路相對簡單,也不需要其它中間環(huán)節(jié)支持便可以直接撥號上網。缺點:由于單片機使用了TCP/IP協議芯片,因此需要大容量的程序存儲器,而且要求MCU有較高的運行速度;應用系統的設計人員必須熟悉TCP/IP協議和相關的接口,軟件設計復雜,工作量大;另外,每一個電子設備都要申請一個IP地址,而IP地址資源是有限的,而且使用還要付費,成本較高。
第二種方案是利用emWare公司開發(fā)的EMIT技術。根據emWare公司的電子設備網絡協議,在應用系統的單片機內部使用emNet協議,再通過emGateway與Internet網連接。該方案的優(yōu)點:由于復雜的網絡協議是通過emGateway在PC機上實現的,應用系統MCU只使用較簡單的emNet協議,因此對MCU的要求較低。缺點:應用系統設計工程師必須熟悉emNet協議和相關的接口,而且原來客戶應用系統的MCU也不一定符合要求,并且軟硬件設計的工作量仍然較大;同時,應用系統的單片機處理emNet協議要占用一定的系統資源。
第三種方案是MCU應用系統通過Webchip PS2000網絡芯片與Gateway連接,再進入Internet網。PS2000內部固化了MCUNet協議,它與emGateway和OSGi協議兼容。應用系統設計人員完全不必考慮任何網絡協議,只需要解釋并執(zhí)行PS2000傳送過來的指令和數據就可以實現與Internet網絡連接,而MCUNet網絡協議由PS2000來完成。同設計UART系統中選用UART接口芯片一樣,選用PS2000將電子設備與Internet連接,可以節(jié)省MCU的資源,設計更簡單。
通過以上比較分析可知,采用第三種方案更為簡單方便,而且成本低。
3 應用系統
圖3是一個家用空調控制應用系統。在該系統中,為了確定設計的電子設備的ID號是唯一的,需要加入一片由DALLAS公司生產的電子標簽,通過這個唯一的ID號區(qū)分不同的電子設備。然后確定需要遠程控制的變量。現設定4個需要遠程控制的變量:設定空調的開關狀態(tài);選擇空調的工作模式,如制冷、加熱、換氣等;設定房間溫度;設定定時時間。確定了控制變量后,還需要建立一個控制系統的變量表，這樣只需通過17條簡單的指令編寫程序就可以實現家用空調與PS2000之間的信息交換。家用空調通過PS2000和emGateway與Internet網方便地連接起來之后,即可通過Internet對家用空調進行遠程控制。
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Webchip PS2000芯片使各類智能裝置和家用電器通過Internet網絡實現遠程控制和管理變得十分方便;而且使系統的設計更簡單,設計人員無需熟知網絡協議;同時降低了對應用系統中MCU的性能要求和其它外圍設備的硬件需求,減少了應用系統硬件開支, 且成本低廉,并縮短了軟硬件的開發(fā)周期。
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參考文獻
1 PS2000網絡接口手冊.武漢： 武漢力源電子股份有限公司，2000
2 梨明.Webchip智能Internet網絡接口芯片及其應用.武漢力源電子，2000(3)
3 何克忠，李 偉.計算機控制系統[M]. 北京：清華大學出版社，1998
4 湯子嬴.計算機網絡技術及其應用.成都：電子科技大學出版社，1996