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系統狀態性能參數表和變量表基礎上的。
電子設備的系統狀態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。該方案的優點:硬件電路相對簡單,也不需要其它中間環節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;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