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)計一個不與網(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)的存在大大簡化了系統(tǒng)服務(wù)和電纜連接，通過以太網(wǎng)也能夠?qū)崿F(xiàn)越來越多的功能。如今越來越多的微控制器被部署在以太網(wǎng)上，例如：無線接入點、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。 DS80C400非常適合上述應(yīng)用，它可以連續(xù)運行，并只消耗極少的能量。該器件可以輕易實現(xiàn)VoIP、Internet電話等功能，還可以通過Internet或家庭網(wǎng)絡(luò)控制空調(diào)和取暖設(shè)備。有了它，就沒有必要在系統(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DS80C400查看相關(guān)數(shù)據(jù)和發(fā)送控制操作。各個單元只需與現(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)置和安裝過程可以由網(wǎng)絡(luò)上的任何PC實現(xiàn)。 2 DS80C400功能特點 這款新型控制器為系統(tǒng)監(jiān)控提供了更多的途徑。用戶可以采集多個地點的溫度并實時顯示溫度數(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增加轉(zhuǎn)換器和昂貴的伺服機構(gòu)。由于DS80C400可以通過以太網(wǎng)接入In-ternet，這樣就使操作者的實際位置變得無關(guān)緊要，可以輕松實現(xiàn)遠端或遠距離的系統(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現(xiàn)簡單有效的功能。參考設(shè)計(DSTINIM400和DSTINIS400)中包含了以太網(wǎng)接口和2個串行接口，此外，板上有1M字節(jié)RAM和1M字節(jié)的Flash存儲器。該控制器工作在29.4912MHz時鐘下，運行TI-NI-OS和Webserver操作系統(tǒng)時的總功耗為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，可以對內(nèi)部時鐘進行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)生或其中一個串口接收到數(shù)據(jù)時，DS80C400會自動恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)工作模式。PMM模式下?lián)p耗較大的定時器時鐘是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75MHz時鐘時，DS80C400的指令執(zhí)行速度可以達到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)吞吐量的場合，例如文件服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)DVD刻錄機等。此外，DS80C400內(nèi)部的運算加速器可以執(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1-Wire接口、全雙工硬件串行接口、八個雙向8位端口(共計64個數(shù)字I/O口)。DS80C400有16M字節(jié)的可訪問地址空間、22條地址線和4個內(nèi)部編碼片選使能端，見圖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)送和接收時的CPU負荷，DS80C400還內(nèi)含8K字節(jié)帶緩沖的數(shù)據(jù)包存儲器。 圖2 DS80C400內(nèi)嵌64K字節(jié)ROM，ROM中的固件利用DHCP，配合TFTP，通過以太網(wǎng)連接實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)裝載。ROM固件支持UDP、TCP、DHCP、ICMP和IGMP，因此實現(xiàn)了完全可以訪問的TCP/IP協(xié)議棧。另外，用戶也可以從已在IEEE注冊的DS2502-E48(Maxim/Dallas產(chǎn)品，一種提供48位節(jié)點地址的芯片)中獲得一個MAC地址。 2.4 Java Maxim/Dallas免費提供基于8051核的Java操作系統(tǒng)以配合DS80C400的使用。設(shè)計者可以從網(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提供一個類似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)來測量溫度，并通過HTML頁面顯示溫度值。 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存儲器，1M字節(jié)SRAM。也可以從以下網(wǎng)址下載一個示例： 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 實現(xiàn)WEB訪問的步驟 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)該把這個文件解壓縮到根目錄下，并且使用盡可能簡短的目錄名，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)該用另外一個串行收發(fā)器將PC串口的DTR引腳接到DS80C400電路板的手動復(fù)位電路上。 圖3 用戶必須確保DS80C400的第96引腳P1_B7在復(fù)位時沒有接地。否則，復(fù)位后DS80C400將自動從地址40000h開始運行程序。同樣，DS80C400的第32腳也不能拉低到地電位，否則在接收到來自TFTP服務(wù)器的復(fù)位后，ROM將啟動NetBoot過程。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File->Load-FileCtiniosbintini 400.tbin操作將TINI-OS文件拷貝到DS80C400線路板的Flash中， 通過File->Load-File Ctiniosbinslush 400.tbin將slush-shell拷貝到Flash中。在重新啟動之前，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動態(tài)主機配置協(xié)議，還必須使用一個靜態(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。進一步的設(shè)置可以用Telnet完成。 從PC上可以看到一個簡單的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Telnet用命令/bin/TINIWebServ-er.tini運行它。也可以把這個命令寫到啟動文件里(/etc/.startup，一個類似PC中的autoexec.bat文件)，這樣在系統(tǒng)啟動時，就可保證啟動WEB服務(wù)器?？赏ㄟ^Internet Explorer來運行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。 在這個參考設(shè)計里，監(jiān)控的溫度來自接在第99腳(OW)的DS1920溫度傳感器，時鐘信息來自帶I2C總線接口的DS1672實時時鐘芯片。