通信与网络:网络式智能仪表设计

1 引言

如今，各类嵌入式微控制器MCU（或称之为单片机）已经广泛用于智能仪器仪表中。由于MCU都嵌入在有关设备中，没有自己独立的外壳，故称该类设备为嵌入式系统。嵌入式系统能够提供一定的服务和控制功能，能够获取、利用一些信息，但如何通过它让这些智能电子产品和Internet相连接，以便人们能够远程获得这些电子产品的信息并控制它们的运行，已成为今天信息界同仁关注的热点。

随着Internet技术的飞速发展，在工业自动化领域中，借助于Internet对工业过程现场及设备的运行状况进行远程监视和操纵，已经成为可能。本文以ADmC812单片机为例，介绍一种利用网络接口芯片PS2000实现智能仪表与Internet的连接方法。该方法简单、方便，无需熟悉网络协议，通用性强，开发应用价格低廉，具有较高的实用价值。

2 总体方案

本文提出一种网络式智能仪表的设计思想。该智能仪表以单片机为主控器，利用网络接口芯片PS2000作为中间桥梁，通过单片机与PS2000的连接、PS2000与网络服务器的连接，从而实现智能仪表与Internet的连接。其总体结构图如图1所示。网络接口芯片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，只需要解释并执行 PS2000传送过来的指令和数据，就可以实现与Internet网络连接，而MCUNet网络协议由PS2000 来完成。同设计UART系统中选中UART接口芯片一样，选用PS2000将电子设备与Internet网络连接，可以节省MCU资源，设计更简单，开发成本更低。

3 PS2000的结构与原理

目前，国内外许多厂家正在研制和推广网络芯片。武汉力源电子股份有限公司研制并具有自主产权的网络接口芯片PS2000，正是智能测控装置连接 Internet的中间"桥梁"，它可将Internet技术延伸应用到更为广阔的自动化测控领域中。PS2000是一种微控制器（图2），其片内驻留有网络协议解释与网络协议编译程序模块，其中MCUNet协议与 emGateway兼容。通过它可以实现MCU应用系统与基于PC机平台的网关emGateway接口。另外还有DS2401电子标签接口和串行接口。电子标签接口用于连接DS2401集成电路，为网络环境中的每一个设备提供唯一的标识；串行接口包括与MCU连接的SPI接口，以RS232、RS485、MODEM、 RF或IRDA等方式与PC机连接的通信接口。

MCU应用系统与PC机网关交换信息时，可由 PS2000担任网络协议的解释和转换，通过17条简单的指令进行控制。由于PC机网关能提供HTTP服务，可以与计算机浏览器接口，故MCU应用系统通过PS2000上网非常方便，可以实现远程数据采集、管理、远程设备控制、在线诊断和服务等功能。通过MCU与网络接口芯片的连接，可自动将智能仪器仪表连入Internet网络，构成网络式智能仪表，从而实现对工业过程现场及设备的运行状况进行远程监视和操纵。

4 智能仪表与Internet的连接方法

网络式智能仪表是通过MCU与网络接口芯片的连接来实现的[7]。下面以ADmC812单片机为例，介绍其连接方法。

4.1 ADmC812单片机与PS2000的连接方法

ADmC812单片机是美国模拟器件（AD）公司最新推出的，其内包含高性能的8路12位ADC采集系统、2路12位DAC、80C52MCU内核、8KB 的闪速/电可擦除程序存储器、640字节的闪速/电可擦除数据存储器、看门狗定时器、电源监视器、 I2C兼容的SPI和标准的UART串行I/O模块及灵活的电源管理方案等。由于ADmC812具有足够的片内资源、I/O口以及外围设备，因此，可方便地与网络接口。

ADmC812单片机与网络接口芯片PS2000的连接如图3所示。PS2000与单片机之间通过17条简单的控制指令和面向对象的概念进行信息交换。开发步骤是：①建立MCU系统中需要控制的对象，并确定其中需要通过Internet进行远程监控的对象；② 建立MCU系统变量表；③ 建立MCU系统状态性能表；④ MCU解释并执行网络芯片传送来的命令。在网络式智能仪表中，一般需要建立A/D采集结果、开关状态控制等对象，并分别建立它们的变量表和性能表，在系统初始化时传送给PS2000。PS2000与单片机之间的通信是由PS2000通过中断请求发起的，单片机首先接收传来的命令，根据命令确定下一步是信息交换或执行相应的操作。例如，PS2000在系统复位大约10s后向单片机发送1个I_init命令请求，单片机收到该命令后可以设置PS2000的工作模式并进行初始化。

4.2 PS2000与PC机的连接方法

PS2000与PC机的连接十分灵活，可选用RS232，RS485，MODEM之一进行通信，以满足远程，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通信类型。

PS2000内部固化了MCUNet协议，它与emGateway和OSGi协议兼容。MCUNet协议是MCU 电子设备与计算机平台上的Gateway建立联系的一种协议，其结构简单，功能很强。

MCUNet协议首先规定了一种主从关系，Gate way永远是主叫系统，而电子设备永远是从系统，Gateway可以授权电子设备回拨；其次，定义了电子设备系统的状态性能参数表和变量表。电子设备与Gateway之间的信息交换是建立在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、变量表所占字节数等。电子设备的系统变量表的作用是把MCU与Gate way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之间的所有交换信息都在这个变量表的表达范围，超出变量表的信息，将不予受理。

5 结束语

本文以ADμC812单片机为例，介绍一种利用网络接口芯片PS2000构成网络式智能仪表的方法。该网络式智能仪表可以通过Internet网络实现远程控制和管理，而且系统设计简单，设计人员无需熟悉网络协议，同时减少了系统硬件开支，成本低廉，并缩短了软硬件的开发周期，具有很好的应用前景。