计算机科学有关MCU应用系统与Internet连接的问题

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　　摘要：介绍一种新型的智能网络接口芯片PS2000及其应用。PS2000是Webchip网络接口系列中的重要成员，通过它可以实现智能装置与PC机平台的网关接口，使智能装置通过PS2000上网十分方便，设计者在设计这样的系统时无须熟知网络协议。

　　关键词：计算机科学,网络接口芯片,Internet,Webchip,PS2000,MCU,Gateway

　　前言

　　今天为们生活在一个信息时代，Internet已经成为信息社会的重要组成部分，Internet技术将深入到日常生活和工作所用到的电子设备中。我们知道，Internet技术得以迅速发展的主要推动力之一是标准十分成熟的PC工业。无论是PC机的硬件平台，还是软件操作系统都高度标准化，上网的操作方式也不同小异。然而，对于各类智能装置和家用电器情况就不同了，它们的“心脏”是一颗被称之为微控制器(MCU)的芯片，俗称单片机。由于微控制器芯片品种达数百种，这些微控制器的硬件结构和指令系统各不相同，因此，不能像PC机那样通过标准的硬件接口和接口软件直接接入Internet网络。如何让各类智能装置或家用电器与Internet连接起来，既能充分利用现有的Internet技术和资源，又能以很低的成本将各类智能装置或家用电器与Internet连接起来，以便人们能够远程获得这些电子设备的信息并控制它们的运行，已成为今天信息界关注的焦点。

　　目前国内外许多厂家正在研制和推广网络芯片。由武汉力源电源股份有限公司研制并具有自主产权的Web接口芯片Webchip，既能满足上述功能又具有低成本、易于掌握等优点，是智能装置和家电产品连接Internet的理想“桥梁”。它可将Internet技术延伸到更为广阔的应用领域。

　　由于Webchip是一种独立于各种微控制器的通用标准化产品，工程师使用Webchip开发具有网络功能的智能装置时，既不需要了解复杂的网络技术，也不需要改原来已成熟的设计，只须增加一小段和Webchip通信的接口程序即可。因此，用户能够大大缩短产品的开发时间。

　　一、PS2000的结构与原理简介

　　PS2000是Webchip网络接口系列中的重要成员，其原理框图如图1所示。它主要由核心控制单元、UART、嵌入式Modem接口模块、标准Modem接口、RS-485收发控制单元、LED显示控制、DS2401接口、SPI接口模块等组成。

　　核心控制单元主要实现通信和协议转换;DS2401接口为电子标签接口，用于连接DS2401集成电路，为电子设备提供惟一的电子标准;通过SPI串行接口，可与MCU应用系统方便连接;状态显示接口能直接驱动LED;有多种串行通信方式可供选择——可外接RS-232、RS485、嵌入式Modem或标准Modem等接口电路，也可选用RF或IrDA通信方式。PS2000为44脚MQFP封装，采用单5V电源，具有体积小、功耗低、与emGateway TM的网络协议兼容等特点。

　　PS2000片内驻留有网络协议解释与网络协议编译程序模块。它与MCU应用系统的信息交换由17条简单的指令进行控制;与PC机网关通信时，负责对网络协议进行规范或解释。由于PC机网关能提供HTTP服务，可以与计算机浏览器(Netscape,Internet Explore等)接口，故MCU应用系统通过PS2000上网十分方便。

　　二、MCU应用系统与Internet的连接

　　1.PS2000与基于PC平台的网关通信

　　PS2000与PC机的连接十分灵活，可选用RS232、RS485，Modem之一进行通信，以满足远/近程、点对点或点对多点的通信要求。通过PS2000通信控制单元的通信控制字可选择RS232，RS485，Modem进行通信。

　　2.MCUNet协议简介

　　PS2000内部固化了MCUNet协议。MCUNet协议是MCU电子设备与计算机平台上的Gateway建立联系的一种软件协议，结构简单，功能强，与emGateway和OSGI协议兼容。

　　首先，MCUNet协议规定了一种主从关系，Gateway永远是主系统(master)，而电子设备永远是从系统(slave)。Gateway可以授权电子设备回拨(Callback)。

　　其次，MCUNet定义了电子设备系统的状态性能参数表(capabilities table)和变量表(variables table)。电子设备与Gateway之间信息交换的过程是建立在MCU系统状态性能参数表和变量表基础上的。

　　电子设备的系统状态性能参数表的作用是把电子设备系统的一些特性参数告诉Gateway，如系统变量表中变量的个数、变量表所占用的字节数、非易失性存储器的大小、字符串的表达类型(ASCII，UNICODE或其他)等。

　　电子设备的系数变量表的作用就是把MCU与Gateway之间需要交换的信息罗列出来，通过一个变量表来表达。MCU与Gateway之间所有交换的信息都在这个变量表的表达范围之内。超出变量表的信息，Grateway将不予受理。

　　3.PS2000与MCU接口

　　MCU应用系统一般都是以单片机为核心的一个应用系统。以MCS-51单片机为例，PS2000与MCS-51单片机的连接如图2所示。

　　4.MCU应用系统与Internet连接的方案

　　MCU应用系统采用Webchip PS2000接入Internet的网络结构如图3所示。MCU应用系统通过PS2000网络芯片的标准SPI串口与Gateway网关连接。具Gateway网关的计算机可以是一台以Windows操作系统为平台的普通桌面PC机。一方面，它支持复杂的Internet TCP/IP协议并能提供HTTP服务，从而允许客户通过现在普遍使用的网络浏览器来远程访问它。在这里，它的作用像Internet网上的服务器;另一方面，Gateway通过RS232，RS485和CAN总线等轻量级网以及Modem，RF，IrDA等方式，将多个嵌入式设备或智能家电连接在一起，并担当TCP/IP和轻量级网之间有关协议的转换任务。在这里，它的作用类似Internet网络上的网关。

　　PS2000内部固化了MCUNet协议，它与emGateway和OSGI协议兼容。应用系统设计人员完全不必考虑任何网络协议，只须解释并执行PS2000传送过来的指令和数据就可以实现与Internet网络连接。MCUNet网络协议由PS2000来完成，如同设计一个UART系统时选用UART接口芯片一样。

　　如果将Webchip和通信物理层接口组合起来，就形成了Webchip模块。它同样可以作为一个标准部件供用户选购。选用Webchip将电子设备与Internet连接可以节省MCU的资源，设计简单、方便、成本低。

　　三、Webchip网络接口芯片的应用

　　1.公共服务设施

　　用Webchip设计或改造计费电话和自动售货机这样的智能设备，可使其增加网络功能，实现远程上网、控制、故障诊断和程序更新，从而削减操作和维护费用，改善用户服务质量并增加利润。例如，通过嵌入式Internet网，服务公司可及了解自动售货机内各种产品的存货情况，以便及时为它补充物品。

　　2.工业自动化

　　工业自动化系统大量使用8位和16位微控制器，是Webchip的重要应用领域，如工业过程控制、电力系统监控、远程抄表、石油化工系统和自动生产流水线等。网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源的重要手段。

　　3.家庭医疗保健

　　引入能够上网的智能化医疗设备，为家庭保健和医院病人的护理开辟了一个崭新的服务市场。这种设备特别适用于老、弱、病、残和患有慢性病，需要频繁监护的病人。例如，有高血压病史的病人可每天使用与医院联网的血压计测量血压，将测得的数据通过网络传递并显示在医院的电脑显示器上。如果血压超过正常值范围，还可发出报警信号。

　　4.智能化家电

　　未来几年，各种家用电器如冰箱、空调、洗衣机、微波炉、电饭煲和电热水器等都将实现智能化，只要在其中内置一块Webchip就能将它们连接到Internet网。这会带来两方面的好处：一方面，使用者可通过手机、个人数字助理和PC上的Web浏览器对它们进行远程控制;另一方面，家电制造商可通过Internet对售出的产品进行监控。如果出现故障，会自动发出维修请求信号，并指出故障部位，从而使售后服务更为迅捷。

　　5.能源管理和收费

　　水、电、气是现代家庭必须的三种能源。能源公司为了解用户的用量，必须派人按月到每家抄取用量以便计算出所要交纳的费用，这是十分费力费时的。利用Webchip和Internet技术，能源公司就能通过家庭电话线或Internet接口装置远程获取成千上万个家庭的数据，实现电子收费，从而大大提高劳动效率，减少成本开支，增加收入。

　　6.安全保障服务业

　　安全保障服务在商业领域如酒店、办公楼以及家庭方兴未艾。利用Webchip技术，可使这类安全系统联网并实现远距离监测和遥控，提高系统的可靠性和作用范围。