MCU應用系統(tǒng)與Internet連接的一種新技術

摘要：介紹一種新型的智能網絡接口芯片PS2000及其應用。PS2000是Webchip網絡接口系列中的重要成員，通過它可以實現(xiàn)智能裝置與PC機平臺的網關接口，使智能裝置通過PS2000上網十分方便，設計者在設計這樣的系統(tǒng)時無須熟知網絡協(xié)議。

    關鍵詞：網絡接口芯片 Internet Webchip PS2000 MCU Gateway

前言

今天為們生活在一個信息時代，Internet已經成為信息社會的重要組成部分，Internet技術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技術得以迅速發(fā)展的主要推動力之一是標準十分成熟的PC工業(yè)。無論是PC機的硬件平臺，還是軟件操作系統(tǒng)都高度標準化，上網的操作方式也不同小異。然而，對于各類智能裝置和家用電器情況就不同了，它們的“心臟”是一顆被稱之為微控制器（MCU）的芯片，俗稱單片機。由于微控制器芯片品種達數(shù)百種，這些微控制器的硬件結構和指令系統(tǒng)各不相同，因此，不能像PC機那樣通過標準的硬件接口和接口軟件直接接入Internet網絡。如何讓各類智能裝置或家用電器與Internet連接起來，既能充分利用現(xiàn)有的Internet技術和資源，又能以很低的成本將各類智能裝置或家用電器與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。由武漢力源電源股份有限公司研制并具有自主產權的Web接口芯片Webchip，既能滿足上述功能又具有低成本、易于掌握等優(yōu)點，是智能裝置和家電產品連接Internet的理想“橋梁”。它可將Internet技術延伸到更為廣闊的應用領域。

由于Webchip是一種獨立于各種微控制器的通用標準化產品，工程師使用Webchip開發(fā)具有網絡功能的智能裝置時，既不需要了解復雜的網絡技術，也不需要改原來已成熟的設計，只須增加一小段和Webchip通信的接口程序即可。因此，用戶能夠大大縮短產品的開發(fā)時間。

一、PS2000的結構與原理簡介

PS2000是Webchip網絡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現(xiàn)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SPI串行接口，可與MCU應用系統(tǒng)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、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的網絡協(xié)議兼容等特點。

PS2000片內駐留有網絡協(xié)議解釋與網絡協(xié)議編譯程序模塊。它與MCU應用系統(tǒng)的信息交換由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(xié)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(tǒng)通過PS2000上網十分方便。

二、MCU應用系統(tǒng)與Internet的連接

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RS232、RS485，Modem之一進行通信，以滿足遠/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RS232，RS485，Modem進行通信。

2.MCUNet協(xié)議簡介

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，結構簡單，功能強，與emGateway和OSGI協(xié)議兼容。

首先，MCUNet協(xié)議規(guī)定了一種主從關系，Gateway永遠是主系統(tǒng)（master），而電子設備永遠是從系統(tǒng)（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(tǒng)的狀態(tài)性能參數(shù)表（capabilities table）和變量表（variables table）。電子設備與Gateway之間信息交換的過程是建立在MCU系統(tǒng)狀態(tài)性能參數(shù)表和變量表基礎上的。

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

電子設備的系數(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，通過一個變量表來表達。MCU與Gateway之間所有交換的信息都在這個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(tǒng)一般都是以單片機為核心的一個應用系統(tǒng)。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(tǒng)與Internet連接的方案

MCU應用系統(tǒng)采用Webchip PS2000接入Internet的網絡結構如圖3所示。MCU應用系統(tǒng)通過PS2000網絡芯片的標準SPI串口與Gateway網關連接。具Gateway網關的計算機可以是一臺以Windows操作系統(tǒng)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，從而允許客戶通過現(xiàn)在普遍使用的網絡瀏覽器來遠程訪問它。在這里，它的作用像Internet網上的服務器；另一方面，Gateway通過RS232，RS485和CAN總線等輕量級網以及Modem，RF，IrDA等方式，將多個嵌入式設備或智能家電連接在一起，并擔當TCP/IP和輕量級網之間有關協(xié)議的轉換任務。在這里，它的作用類似Internet網絡上的網關。

PS2000內部固化了MCUNet協(xié)議，它與emGateway和OSGI協(xié)議兼容。應用系統(tǒng)設計人員完全不必考慮任何網絡協(xié)議，只須解釋并執(zhí)行PS2000傳送過來的指令和數(shù)據(jù)就可以實現(xiàn)與Internet網絡連接。MCUNet網絡協(xié)議由PS2000來完成，如同設計一個UART系統(tǒng)時選用UART接口芯片一樣。

如果將Webchip和通信物理層接口組合起來，就形成了Webchip模塊。它同樣可以作為一個標準部件供用戶選購。選用Webchip將電子設備與Internet連接可以節(jié)省MCU的資源，設計簡單、方便、成本低。

三、Webchip網絡接口芯片的應用

1.公共服務設施

用Webchip設計或改造計費電話和自動售貨機這樣的智能設備，可使其增加網絡功能，實現(xiàn)遠程上網、控制、故障診斷和程序更新，從而削減操作和維護費用，改善用戶服務質量并增加利潤。例如，通過嵌入式Internet網，服務公司可及了解自動售貨機內各種產品的存貨情況，以便及時為它補充物品。

2.工業(yè)自動化

工業(yè)自動化系統(tǒng)大量使用8位和16位微控制器，是Webchip的重要應用領域，如工業(yè)過程控制、電力系統(tǒng)監(jiān)控、遠程抄表、石油化工系統(tǒng)和自動生產流水線等。網絡化是提高生產效率和產品質量、減少人力資源的重要手段。

3.家庭醫(yī)療保健

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

4.智能化家電

未來幾年，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現(xiàn)智能化，只要在其中內置一塊Webchip就能將它們連接到Internet網。這會帶來兩方面的好處：一方面，使用者可通過手機、個人數(shù)字助理和PC上的Web瀏覽器對它們進行遠程控制；另一方面，家電制造商可通過Internet對售出的產品進行監(jiān)控。如果出現(xiàn)故障，會自動發(fā)出維修請求信號，并指出故障部位，從而使售后服務更為迅捷。

5.能源管理和收費

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，這是十分費力費時的。利用Webchip和Internet技術，能源公司就能通過家庭電話線或Internet接口裝置遠程獲取成千上萬個家庭的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)電子收費，從而大大提高勞動效率，減少成本開支，增加收入。

6.安全保障服務業(yè)

安全保障服務在商業(yè)領域如酒店、辦公樓以及家庭方興未艾。利用Webchip技術，可使這類安全系統(tǒng)聯(lián)網并實現(xiàn)遠距離監(jiān)測和遙控，提高系統(tǒng)的可靠性和作用范圍。