摘? 要: 介紹了一種新型的智能網(wǎng)絡(luò)接口芯片PS2000的結(jié)構(gòu)和原理,以及應(yīng)用它實(shí)現(xiàn)智能化家電與Internet連接。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)智能化家電與PC機(jī)平臺(tái)的網(wǎng)關(guān)接口,使智能化家電通過(guò)PS2000上網(wǎng)十分方便,并且設(shè)計(jì)這樣的系統(tǒng)無(wú)需熟知網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
關(guān)鍵詞: 網(wǎng)絡(luò)接口芯片? Internet? Webchip? PS2000? MCU? Gateway
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現(xiàn)在人們正處在信息時(shí)代,而Internet已經(jīng)成為信息社會(huì)中很重要的組成部分。Internet技術(shù)深入到人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦惺褂玫碾娮釉O(shè)備中,可使人們快捷方便地查閱和發(fā)布各類(lèi)信息。同時(shí),人們也希望通過(guò)Internet對(duì)家用電器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。但令人遺憾的是，PC機(jī)及現(xiàn)有的Internet技術(shù)顯得過(guò)于昂貴,因而并不適用。于是,人們希望開(kāi)發(fā)一種新技術(shù),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它應(yīng)用到各類(lèi)智能裝置和家用電器中去。
如今,各類(lèi)MCU已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于家用電器中。由于嵌入式微控制器MCU(或稱(chēng)之為單片機(jī))都嵌入在有關(guān)的設(shè)備中,沒(méi)有自己獨(dú)立的外殼,故稱(chēng)該類(lèi)設(shè)備為嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)能夠提供一定的服務(wù)和控制功能,能夠獲取、利用一些信息,但如何讓這些電子設(shè)備跟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,已成為今天信息界同仁關(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。武漢力源電子股份有限公司研制并具有自主產(chǎn)權(quán)的Web接口芯片Webchip PS2000,正是智能裝置和家電產(chǎn)品連接Internet的“橋梁”,它可將Internet技術(shù)延伸到更為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。
1 PS2000的結(jié)構(gòu)與原理
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)MCU應(yīng)用系統(tǒng)與基于PC平臺(tái)的網(wǎng)關(guān)(例如emGatewayTM)接口。
PS2000芯片的原理結(jié)構(gòu)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(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)備提供唯一電子標(biāo)識(shí);通過(guò)SPI串行接口模塊,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、RS-485、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emGatewayTM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,MCU應(yīng)用系統(tǒng)與PC機(jī)網(wǎng)關(guān)交換信息時(shí),由PS2000擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的解釋和轉(zhuǎn)換,通過(guò)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,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、管理、遠(yuǎn)程設(shè)備控制、在線(xiàn)診斷和服務(wù),以及自動(dòng)將電子設(shè)備、智能儀器儀表、家用電器等連入Internet網(wǎng)絡(luò)。
2 MCU應(yīng)用系統(tǒng)與Internet的連接
2.1 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RS-232、RS-485、MODEM之一進(jìn)行通信[1],以滿(mǎn)足遠(yuǎn)程/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RS-232、RS-485、MODEM通信類(lèi)型。
2.2 MCUNet協(xié)議簡(jiǎn)介
PS2000內(nèi)部固化了MCUNet協(xié)議,它與emGateway和OSGi協(xié)議兼容。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。MCUNet協(xié)議結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能很強(qiáng)。
MCUNet協(xié)議首先規(guī)定了一種主從關(guān)系,Gateway永遠(yuǎn)是主叫系統(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)?Callback)。
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之間的信息交換過(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或其它)等。
電子設(shè)備的系統(tǒng)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之間的所有交換信息都在這個(gè)變量表的表達(dá)范圍之內(nèi)。超出變量表的信息,Gateway將不予受理。
2.3 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。
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2.4 MCU應(yīng)用系統(tǒng)與Internet連接的可行方案分析比較
第一種方案是通過(guò)MCU應(yīng)用系統(tǒng)的單片機(jī)內(nèi)部固化TCP/IP協(xié)議。該方案的優(yōu)點(diǎn):硬件電路相對(duì)簡(jiǎn)單,也不需要其它中間環(huán)節(jié)支持便可以直接撥號(hào)上網(wǎng)。缺點(diǎn):由于單片機(jī)使用了TCP/IP協(xié)議芯片,因此需要大容量的程序存儲(chǔ)器,而且要求MCU有較高的運(yùn)行速度;應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員必須熟悉TCP/IP協(xié)議和相關(guān)的接口,軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜,工作量大;另外,每一個(gè)電子設(shè)備都要申請(qǐng)一個(gè)IP地址,而IP地址資源是有限的,而且使用還要付費(fèi),成本較高。
第二種方案是利用emWare公司開(kāi)發(fā)的EMIT技術(shù)。根據(jù)emWare公司的電子設(shè)備網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,在應(yīng)用系統(tǒng)的單片機(jī)內(nèi)部使用emNet協(xié)議,再通過(guò)emGateway與Internet網(wǎng)連接。該方案的優(yōu)點(diǎn):由于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是通過(guò)emGateway在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)的,應(yīng)用系統(tǒng)MCU只使用較簡(jiǎn)單的emNet協(xié)議,因此對(duì)MCU的要求較低。缺點(diǎn):應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師必須熟悉emNet協(xié)議和相關(guān)的接口,而且原來(lái)客戶(hù)應(yīng)用系統(tǒng)的MCU也不一定符合要求,并且軟硬件設(shè)計(jì)的工作量仍然較大;同時(shí),應(yīng)用系統(tǒng)的單片機(jī)處理emNet協(xié)議要占用一定的系統(tǒng)資源。
第三種方案是MCU應(yīng)用系統(tǒng)通過(guò)Webchip PS2000網(wǎng)絡(luò)芯片與Gateway連接,再進(jìn)入Internet網(wǎng)。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,只需要解釋并執(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,而MCUNet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議由PS2000來(lái)完成。同設(shè)計(jì)UART系統(tǒng)中選用UART接口芯片一樣,選用PS2000將電子設(shè)備與Internet連接,可以節(jié)省MCU的資源,設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單。
通過(guò)以上比較分析可知,采用第三種方案更為簡(jiǎn)單方便,而且成本低。
3 應(yīng)用系統(tǒng)
圖3是一個(gè)家用空調(diào)控制應(yīng)用系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,為了確定設(shè)計(jì)的電子設(shè)備的ID號(hào)是唯一的,需要加入一片由DALLAS公司生產(chǎn)的電子標(biāo)簽,通過(guò)這個(gè)唯一的ID號(hào)區(qū)分不同的電子設(shè)備。然后確定需要遠(yuǎn)程控制的變量。現(xiàn)設(shè)定4個(gè)需要遠(yuǎn)程控制的變量:設(shè)定空調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài);選擇空調(diào)的工作模式,如制冷、加熱、換氣等;設(shè)定房間溫度;設(shè)定定時(shí)時(shí)間。確定了控制變量后,還需要建立一個(gè)控制系統(tǒng)的變量表，這樣只需通過(guò)17條簡(jiǎn)單的指令編寫(xiě)程序就可以實(shí)現(xiàn)家用空調(diào)與PS2000之間的信息交換。家用空調(diào)通過(guò)PS2000和emGateway與Internet網(wǎng)方便地連接起來(lái)之后,即可通過(guò)Internet對(duì)家用空調(diào)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。
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Webchip PS2000芯片使各類(lèi)智能裝置和家用電器通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和管理變得十分方便;而且使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單,設(shè)計(jì)人員無(wú)需熟知網(wǎng)絡(luò)協(xié)議;同時(shí)降低了對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)中MCU的性能要求和其它外圍設(shè)備的硬件需求,減少了應(yīng)用系統(tǒng)硬件開(kāi)支, 且成本低廉,并縮短了軟硬件的開(kāi)發(fā)周期。
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參考文獻(xiàn)
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