E5122的家庭網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)
摘要：對(duì)家庭控制系統(tǒng)的方案、組成、硬件配置、軟件設(shè)計(jì)、工作原理、功能以及技術(shù)性能進(jìn)行了論述。給出了通過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器將數(shù)據(jù)打包成以太網(wǎng)協(xié)議包發(fā)送到以太網(wǎng)上，從而實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制方案。１ 系統(tǒng)簡(jiǎn)介
家庭智能控制系統(tǒng)的開發(fā)主要基于短信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)及加密技術(shù)。該系統(tǒng)利用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和控制器，以無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)為基本控制指令和數(shù)據(jù)信息傳送方式來實(shí)現(xiàn)手機(jī)無線遙控和數(shù)據(jù)傳送，并通過專設(shè)的短信控制中心和服務(wù)中心，來為家庭和小區(qū)管理提供全方位的數(shù)字化服務(wù)。家庭智能控制系統(tǒng)具有手機(jī)遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)報(bào)警、呼叫社區(qū)服務(wù)、物業(yè)管理等功能。還可以根據(jù)用戶群的需要向生活聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、智能辦公等方向無限擴(kuò)展。
一般情況下，只要將設(shè)備接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ／Ｉｎｔｒａｎｅｔ網(wǎng)，原則上只要實(shí)現(xiàn)ＴＣＰ／ＩＰ網(wǎng)絡(luò)協(xié)議就可以了。ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議及其應(yīng)用是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。該協(xié)議的建立要經(jīng)過縝密的設(shè)計(jì)過程，全套協(xié)議實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜。在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)該協(xié)議有一定的難度。在實(shí)際應(yīng)用中，如果要完全實(shí)現(xiàn)該協(xié)議，比較合理的方案是直接利用集成的ＴＣＰ／ｌＰ協(xié)議芯片將系統(tǒng)中央控制單元和ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議處理單元進(jìn)行分離。
另一方面，也可以對(duì)原有的ＴＣＰ／ＩＰ進(jìn)行精簡(jiǎn)，而只保留實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)所需要的一些協(xié)議，從而使核心芯片既能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，又可完成對(duì)任務(wù)的監(jiān)控。因?yàn)椋瑢?duì)原有的ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議進(jìn)行精簡(jiǎn)可大大減輕系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難度，同時(shí)也可以提高系統(tǒng)的效率和可靠性。
圖1
２ 系統(tǒng)工作原理
圖１所示是一個(gè)基于Ｅ５１２２網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器的家庭網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的原理框圖。圖中，以家庭中的三表數(shù)據(jù)作為采集信號(hào)，并將其通過采樣保持電路處理以后送入單片機(jī)，然后由單片機(jī)把數(shù)據(jù)通過串口送入Ｅ５１２２網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器中進(jìn)行打包處理，以將數(shù)據(jù)打包成ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議包，最后再把該數(shù)據(jù)包通過ＲＴＬ８０１９ＡＳ以太網(wǎng)控制器發(fā)送到以太網(wǎng)上。本系統(tǒng)采用ＣＰＬＤ芯片ＥＰＭ７１２８Ｓ作為譯碼和驅(qū)動(dòng)電路。由于家庭用戶終端一般對(duì)數(shù)據(jù)交換的速率要求不高（在１ＭＢ／ｓ以下），所以可采用一般高速單片機(jī)來寫入ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議，這樣既可滿足功能要求，又能降低成本，用戶也容易接受這樣的價(jià)格。
３ ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議解析芯片Ｅ５１２２
Ｅ５１２２是上海精致科技公司研制的飛虹系列網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器。其外部晶振頻率為２２．１１８４ＭＨｚ，工作電壓為５Ｖ。可為硬件實(shí)現(xiàn)ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議提供ＡＰＩ接口，并可以Ｉ２Ｃ協(xié)議或ＲＳ－２３２接口方式與用戶端進(jìn)行通信，其通信接口支持帶Ｉ２Ｃ接口的ＭＰＵ，同時(shí)還為不帶Ｉ２Ｃ接口的ＭＰＵ提供Ｉ２Ｃ驅(qū)動(dòng)程序。 Ｅ５１２２與網(wǎng)絡(luò)的接口為以太網(wǎng)接口，可通過以太網(wǎng)控制芯片ＲＴＬ８０１９連接到以太網(wǎng)。其串行速率最大可達(dá)１１５．２ｋｂｐｓ，并可實(shí)現(xiàn)真正實(shí)時(shí)傳送。
Ｅ５１２２ 是完成ＴＣＰ／ＩＰ 協(xié)議的專用芯片，可用以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)和串口之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，該器件只需外接ＭＣＵ就可為串口設(shè)備提供完善的網(wǎng)絡(luò)通信解決方案。本系統(tǒng)采用的ＭＰＵ為８９Ｃ５２單片機(jī)，而且只需在單片機(jī)程序中簡(jiǎn)單調(diào)用ＡＰＩ函數(shù)即可。
圖２所示是Ｅ５１２２的結(jié)構(gòu)框圖。該設(shè)備可做為服務(wù)器端，即首次連接網(wǎng)絡(luò)時(shí)，客戶機(jī)端主動(dòng)請(qǐng)求連接服務(wù)器端作為被動(dòng)端進(jìn)行監(jiān)聽，同時(shí)接受局域網(wǎng)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)端客戶的主動(dòng)查詢?cè)L問，并將設(shè)備信息返回給客戶?該設(shè)備同樣也可以作為客戶機(jī)主動(dòng)和局域網(wǎng)內(nèi)或Ｉｎ-ｔｅｒｎｅｔ 上的主機(jī)進(jìn)行通信。Ｅ５１２２ 芯片外部使用３２ｋＢ ＲＡＭ來為以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖。它使用２５６字節(jié)（最少為２５６字節(jié)）的串行ＥＥＰＲＯＭ（Ｉ２Ｃ 總線接口）來存儲(chǔ)系統(tǒng)參數(shù)。用戶可通過串口與Ｅ５１２２進(jìn)行通信，Ｅ５１２２的作用是：完成ＴＣＰ／ＩＰ 協(xié)議和串口通信協(xié)議，同時(shí)支持普通串口和用戶設(shè)備的交互，并可通過外接ＲＴＬ８０１９ＡＳ 控制芯片來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。
４ 硬件電路設(shè)計(jì)
４．１ 接口電路
在具體使用中，由于單片機(jī)本身的限制，設(shè)計(jì)時(shí)可采用跳線方式將ＪＰ引腳接高電平； 而用Ｅ５１２２與ＲＴＬ８０１９ＡＳ的接口來傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。
當(dāng)系統(tǒng)初次運(yùn)行時(shí)，Ｅ５１２２會(huì)對(duì)ＲＴＬ８０１９ＡＳ進(jìn)行初始化，同時(shí)設(shè)置其工作模式以及中斷源等。ＲＴＬ８０１９ＡＳ接收到數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)觸發(fā)Ｅ５１２２中斷，此時(shí)Ｅ５１２２將通過Ａ８～Ａ１３和Ａ１５來選擇ＲＴＬ８０１９ＡＳ的寄存器地址和存儲(chǔ)器地址并控制和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取，當(dāng)有數(shù)據(jù)通過Ｅ５１２２發(fā)送給ＲＴＬ８０１９ＡＳ時(shí)，系統(tǒng)將通過地址線設(shè)置ＲＴＬ８０１９ＡＳ的相應(yīng)寄存器以進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。其具體的接口電路如圖３所示。
４．２ Ｉ２Ｃ總線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器
Ｉ２Ｃ總線是ＩＮＴＥＲ ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＣＩＲＣＵＩＴ ＢＵＳ的縮寫，即“內(nèi)部集成電路總線”。Ｉ２Ｃ總線是由Ｐｈｉｌｉｐｓ公司首先提出的串行通訊接口規(guī)范，該總線使用串行數(shù)據(jù)線?ＳＤＡ?和串行時(shí)鐘線?ＳＣＬ?來進(jìn)行主從器件之間的數(shù)據(jù)傳輸，接口十分簡(jiǎn)單。
Ｉ２Ｃ總線上的數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)１００ｋｂｉｔ／ｓ，快速模式下可達(dá)４００ｋｂｉｔ／ｓ。在Ｉ２Ｃ總線傳輸中，當(dāng)ＳＣＬ為高時(shí)，ＳＤＡ由高變低為開始條件；而當(dāng)ＳＣＬ為高時(shí)，ＳＤＡ由低變?yōu)楦邉t為停止條件。ＳＤＡ和ＳＣＬ都是雙向傳輸線，ＳＤＡ線上的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘為高期間必須是穩(wěn)定的，只有當(dāng)ＳＣＬ線上的時(shí)鐘信號(hào)為低時(shí)，數(shù)據(jù)線上的狀態(tài)才可以改變。輸出到ＳＤＡ線上的每一個(gè)字節(jié)必須是８位，每次傳輸?shù)淖止?jié)不受限制，但每個(gè)字節(jié)必須有一個(gè)應(yīng)答位。
４．３ 隔離耦合變壓器
設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用１?１隔離變壓器，同時(shí)應(yīng)避免雷電引起的感應(yīng)電壓損壞后級(jí)電路。此外，還需完成平衡－不平衡的轉(zhuǎn)換隔離、傳輸和匹配。
４．４ 復(fù)位與看門狗電路
通過看門狗電路可在程序跑飛或死機(jī)時(shí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重新置位或復(fù)位，以使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。其電路如圖４所示。該電路采用ＭＡＸ８１３Ｌ來完成電源復(fù)位和看門狗功能。
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