集成了網(wǎng)絡(luò)連接的低成本控制器

1 引言 按照當(dāng)前的技術(shù)水準(zhǔn)，如果設(shè)計(jì)一個(gè)不與網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)連接的控制、調(diào)節(jié)或數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)顯然是落伍了。文中將介紹如何采用Maxim/Dallas創(chuàng)新的八位網(wǎng)絡(luò)微控制器DS80C400實(shí)現(xiàn)低成本的具有WEB連接的工業(yè)應(yīng)用。 網(wǎng)絡(luò)的存在大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)服務(wù)和電纜連接，通過(guò)以太網(wǎng)也能夠?qū)崿F(xiàn)越來(lái)越多的功能。如今越來(lái)越多的微控制器被部署在以太網(wǎng)上，例如：無(wú)線接入點(diǎn)、視頻監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)打印、路由器等。在這些應(yīng)用中，為了減輕軟件處理負(fù)荷、降低成本，需要核心芯片，也就是集成有以太網(wǎng)接口和TCP/IP協(xié)議棧的微控制器，Maxim/Dallas推出的DS80C400則具備以上特點(diǎn)。 DS80C400非常適合上述應(yīng)用，它可以連續(xù)運(yùn)行，并只消耗極少的能量。該器件可以輕易實(shí)現(xiàn)VoIP、Internet電話等功能，還可以通過(guò)Internet或家庭網(wǎng)絡(luò)控制空調(diào)和取暖設(shè)備。有了它，就沒(méi)有必要在系統(tǒng)的每一單元都安裝昂貴的電路，系統(tǒng)中的任何PC都可以通過(guò)DS80C400查看相關(guān)數(shù)據(jù)和發(fā)送控制操作。各個(gè)單元只需與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)連接，這些網(wǎng)絡(luò)可以是家庭或者公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，也可以是Internet，而且其服務(wù)設(shè)置和安裝過(guò)程可以由網(wǎng)絡(luò)上的任何PC實(shí)現(xiàn)。 2 DS80C400功能特點(diǎn) 這款新型控制器為系統(tǒng)監(jiān)控提供了更多的途徑。用戶可以采集多個(gè)地點(diǎn)的溫度并實(shí)時(shí)顯示溫度數(shù)值，也可以用彩色圖表顯示不同的溫度值和連續(xù)工作情況。研發(fā)工程師還可以嘗試不同的監(jiān)視和控制方式，而不需要在各控制點(diǎn)增加轉(zhuǎn)換器和昂貴的伺服機(jī)構(gòu)。由于DS80C400可以通過(guò)以太網(wǎng)接入In-ternet，這樣就使操作者的實(shí)際位置變得無(wú)關(guān)緊要，可以輕松實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端或遠(yuǎn)距離的系統(tǒng)監(jiān)控。 圖1 2.1 低功耗 DS80C400能夠以最少的外圍器件和最低的功耗實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單有效的功能。參考設(shè)計(jì)(DSTINIM400和DSTINIS400)中包含了以太網(wǎng)接口和2個(gè)串行接口，此外，板上有1M字節(jié)RAM和1M字節(jié)的Flash存儲(chǔ)器。該控制器工作在29.4912MHz時(shí)鐘下，運(yùn)行TI-NI-OS和Webserver操作系統(tǒng)時(shí)的總功耗為0.5W。圖1所示為DS80C400的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。 DS80C400具有功率管理模式PMM，可以對(duì)內(nèi)部時(shí)鐘進(jìn)行256分頻。在PMM模式下，微處理器的速度非常低，仍可以繼續(xù)執(zhí)行程序，但電源電流極低，甚至低于空閑模式下的電源電流。當(dāng)有中斷指令產(chǎn)生或其中一個(gè)串口接收到數(shù)據(jù)時(shí)，DS80C400會(huì)自動(dòng)恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)工作模式。PMM模式下?lián)p耗較大的定時(shí)器時(shí)鐘是1024分頻，而不是4分頻。低功耗模式下，內(nèi)部8051核工作于1.8V，而I/O驅(qū)動(dòng)部分工作在3.3V(可以承受5V)。 2.2 高指令執(zhí)行速度 在高達(dá)75MHz時(shí)鐘時(shí)，DS80C400的指令執(zhí)行速度可以達(dá)到18.75MIPS，足以支持以太網(wǎng)接收未經(jīng)壓縮的音頻數(shù)據(jù)流，然后經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換再發(fā)送出去。DS80C400也適合分辨率和刷新速率較低的安全監(jiān)控系統(tǒng)。但是，DS80C400不能用于高速、連續(xù)吞吐量的場(chǎng)合，例如文件服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)DVD刻錄機(jī)等。此外，DS80C400內(nèi)部的運(yùn)算加速器可以執(zhí)行16位和32位乘法、除法、移位和歸一化處理。 2.3 接口和外圍設(shè)備 DS80C400提供多種接口，其中包括CAN2.0B控制器接口、三個(gè)1-Wire接口、全雙工硬件串行接口、八個(gè)雙向8位端口(共計(jì)64個(gè)數(shù)字I/O口)。DS80C400有16M字節(jié)的可訪問(wèn)地址空間、22條地址線和4個(gè)內(nèi)部編碼片選使能端，見(jiàn)圖2所示。它內(nèi)部集成有10/100M以太網(wǎng)媒體存取控制器MAC，可以支持半雙工和全雙工Internet協(xié)議IPv4和IPv6。為了減輕發(fā)送和接收時(shí)的CPU負(fù)荷，DS80C400還內(nèi)含8K字節(jié)帶緩沖的數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)器。 圖2 DS80C400內(nèi)嵌64K字節(jié)ROM，ROM中的固件利用DHCP，配合TFTP，通過(guò)以太網(wǎng)連接實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)裝載。ROM固件支持UDP、TCP、DHCP、ICMP和IGMP，因此實(shí)現(xiàn)了完全可以訪問(wèn)的TCP/IP協(xié)議棧。另外，用戶也可以從已在IEEE注冊(cè)的DS2502-E48(Maxim/Dallas產(chǎn)品，一種提供48位節(jié)點(diǎn)地址的芯片)中獲得一個(gè)MAC地址。 2.4 Java Maxim/Dallas免費(fèi)提供基于8051核的Java操作系統(tǒng)以配合DS80C400的使用。設(shè)計(jì)者可以從網(wǎng)站：ftp//ftp.dalsemi.com/pub/tini/下載Java操作系統(tǒng)TINI-OS和一些應(yīng)用例程。TINI-OS提供一個(gè)類(lèi)似UNIX的Shell：SLUSH-shell，其中包含了FTP和Tel-net等標(biāo)準(zhǔn)組件。TINI網(wǎng)站也提供了一些簡(jiǎn)單范例，例如用于Web服務(wù)器的Java源程序，該程序利用DS1920(數(shù)字溫度傳感器)來(lái)測(cè)量溫度，并通過(guò)HTML頁(yè)面顯示溫度值。 3 典型應(yīng)用 在DS80C400上安裝TINI-OS的WEB服務(wù)器需要下述條件： ●帶DS80C400微控制器的電路板，推薦使用1M字節(jié)Flash存儲(chǔ)器，1M字節(jié)SRAM。也可以從以下網(wǎng)址下載一個(gè)示例： ftp://ftp.dalsemi.com/pub/tini/reference de-signs/TINIm400/TINIm400 C.PDF ●最新版本的TINI-OS操作系統(tǒng)，可以從下面網(wǎng)址得到： ftp://ftp.dalsemi.com/pub/tini/tini1 13.tgz ●編譯J2SDK1.4.x、Linux/Unix或Windows版本，可參考： http://java.sun.com/j2se/1.4.2/download.html ●用集成了串行裝載器的DS80C400、Java-Communications-API，Linux/Unix或Windows版本傳送軟件，參考： http://java.sun.com/products/javacomm/down-loads/index.html 4 實(shí)現(xiàn)WEB訪問(wèn)的步驟 首先需要在PC上安裝JAVA-COMM API、Java2 SDK及其所有附件。JAVA-Communication-API的安裝可參考文件：PlatformSpecific.html。然后解壓縮已下載的Tini-Paket(Tini操作系統(tǒng)軟件包)tini1-13.tgz文件。Windows用戶應(yīng)該把這個(gè)文件解壓縮到根目錄下，并且使用盡可能簡(jiǎn)短的目錄名，以便于手工輸入路徑名。這里假設(shè)解壓縮到CTNIOS?，F(xiàn)在可以運(yùn)行Tini JavaKit，與DS80C400的裝載器通信如下 java -classpath c:tiniosbintini.jar; c:j2sdk1.4.2 05libcomm.jar JavaKit 完成上述操作后，JavaKit就可以和DS80C400進(jìn)行通信了，在此之前，還必須用串口電纜連接DS80C400的串口0(引腳P3 B0和P3 B1)和PC。為了能使用JavaKit的DTR-Reset復(fù)位，應(yīng)該用另外一個(gè)串行收發(fā)器將PC串口的DTR引腳接到DS80C400電路板的手動(dòng)復(fù)位電路上。 圖3 用戶必須確保DS80C400的第96引腳P1_B7在復(fù)位時(shí)沒(méi)有接地。否則，復(fù)位后DS80C400將自動(dòng)從地址40000h開(kāi)始運(yùn)行程序。同樣，DS80C400的第32腳也不能拉低到地電位，否則在接收到來(lái)自TFTP服務(wù)器的復(fù)位后，ROM將啟動(dòng)NetBoot過(guò)程。復(fù)位后DS80C400應(yīng)該返回以下信息： DS80C400 silicon software. Welcome to the TINI DS80C400 car boat Loader 1.0.1 用戶可以用Java-Kit通過(guò)File->Load-FileCtiniosbintini 400.tbin操作將TINI-OS文件拷貝到DS80C400線路板的Flash中， 通過(guò)File->Load-File Ctiniosbinslush 400.tbin將slush-shell拷貝到Flash中。在重新啟動(dòng)之前，還需清除HEAP。隨后，將DS80C400的第96腳(P1 B7)拉低到地以產(chǎn)生一次復(fù)位。復(fù)位之后將顯示以下信息： [=slush version 1.13 =,] [System coming up.] [Beginning initialization...] [Need generating log file.][Info] [Initializing shell commands...][Done] [Checking system files...][Done] [Initializing and parsings. startup...] [Initializing network...] [Starting DHCP Client...] [waiting of for DHCP IP Lease...] [DHCP IP of lease Successful.] [Network configuration] [Done] [Starting up Telnet servers...] [Done] [Starting up FTP servers...] [Done] [System init routines] [Done] [slush initialization complete. 〗 Hit any key to log-in. 以上顯示表明操作系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行于DS80C400。用戶可以憑用戶名“root”和密碼“tini”登錄。如果網(wǎng)絡(luò)不支持DHCP動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議，還必須使用一個(gè)靜態(tài)IP地址。配置結(jié)果將保存在SRAM的HEAP區(qū)域。如果這個(gè)SRAM采用備用電池供電，那么即使去掉了主電源，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)仍然可以完好無(wú)缺?，F(xiàn)在，用戶不再需要Ja-va-Kit和串口連接，就可以使用FTP服務(wù)將自己的軟件拷貝到系統(tǒng)文件里。進(jìn)一步的設(shè)置可以用Telnet完成。 從PC上可以看到一個(gè)簡(jiǎn)單的Java WEB服務(wù)器： c:tiniosexamplesTINIWebserver。 用批處理文件buildWebServer.bat可以方便地編譯這個(gè)程序。用戶可以把從FTP得到的TINI-WebServer.tini拷貝到DS80C400文件系統(tǒng)的桌面：/bin下，然后通過(guò)Telnet用命令/bin/TINIWebServ-er.tini運(yùn)行它。也可以把這個(gè)命令寫(xiě)到啟動(dòng)文件里(/etc/.startup，一個(gè)類(lèi)似PC中的autoexec.bat文件)，這樣在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，就可保證啟動(dòng)WEB服務(wù)器?？赏ㄟ^(guò)Internet Explorer來(lái)運(yùn)行DS80C400里的Web服務(wù)器Webserver，在地址欄里輸入地址http//192.168.1. 50后的顯示結(jié)果如圖3所示。 在這個(gè)參考設(shè)計(jì)里，監(jiān)控的溫度來(lái)自接在第99腳(OW)的DS1920溫度傳感器，時(shí)鐘信息來(lái)自帶I2C總線接口的DS1672實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。