基于E5122的家庭網(wǎng)絡(luò )控制系統

關(guān)鍵詞：E5122 以太網(wǎng) 控制系統 RTL8019AS

引 言

　　隨著(zhù)信息技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛普及，越來(lái)越多的家庭通過(guò)Internet或Intranet來(lái)獲得信息和資訊。作為現代化的智能化住宅小區，向社區內的廣大住戶(hù)提供寬帶多媒體綜合信息資訊服務(wù)，是智能化住宅的重要體現，也是信息社會(huì )發(fā)展的客觀(guān)需要。建設部住宅產(chǎn)業(yè)辦公室提出了我國住宅智能化的概念，即住宅小區智能化是利用4C(計算機、通信、網(wǎng)絡(luò )、自控、IC卡)技術(shù)真正實(shí)現遠程家庭的智能控制，通過(guò)有效的傳輸網(wǎng)絡(luò ),將遠程信息服務(wù)與管理、物業(yè)管理與安防、住宅智能化系統集成,為住宅小區的服務(wù)與管理提供高技術(shù)的智能化手段,以期實(shí)現快捷高效的超值服務(wù)管理,提供安全舒適的家居環(huán)境。

1 系統簡(jiǎn)介

　　家庭智能控制系統的開(kāi)發(fā)基于短信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計算機技術(shù)、數字通信技術(shù)及加密技術(shù)。系統利用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò )、計算機系統和控制器，以無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )為基本控制指令和數據信息傳送方式，實(shí)現手機無(wú)線(xiàn)遙控和數據傳送。通過(guò)專(zhuān)設的短信控制中心和服務(wù)中心，為家庭和小區管理提供全方位的數字化服務(wù)。家庭智能控制系統具有手機遠程控制、自動(dòng)報警、呼叫社區服務(wù)、物業(yè)管理等功能，還可以根據用戶(hù)群的需要向生活連網(wǎng)服務(wù)、智能辦公等方向無(wú)限擴展。

　　設備接入Internet/Intranet網(wǎng)，原則上講，只要實(shí)現TCP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議就可以。TCP/IP協(xié)議及其應用是一項復雜的系統工程。該協(xié)議的建立經(jīng)過(guò)了縝密的設計過(guò)程，全套協(xié)議的實(shí)現是比較復雜的。在嵌入式系統中，實(shí)現該協(xié)議有一定的難度。在實(shí)際的應用中，如果要完全實(shí)現該協(xié)議，比較合理的方案是直接利用集成的TCP/lP協(xié)議的芯片，將系統中央控制單元和TCP/IP協(xié)議處理單元進(jìn)行分離。

　　另一方面，實(shí)現其它幾個(gè)方案中，可以對原有的TCP/IP進(jìn)行精簡(jiǎn)，保留實(shí)際應用系統所需要的一些協(xié)議，使得核心芯片既能實(shí)現網(wǎng)絡(luò )的數據傳輸，又可以完成監控任務(wù)。對原有的TCP/IP協(xié)議迸行精簡(jiǎn)，可以大大減輕系統實(shí)現的難度，并提高系統的效率和可靠性。

圖1

2 系統工作原理

　　該系統的原理框圖如圖1所示。

　　家庭中的三表度數作為采集信號，通過(guò)采樣保持電路處理以后，送入單片機進(jìn)行處理。單片機把數據通過(guò)串口送入E5122網(wǎng)絡(luò )協(xié)議處理器中進(jìn)行打包處理，將數據打包成TCP/IP協(xié)議包，該數據包通過(guò)RTL8019AS以太網(wǎng)控制器發(fā)送到以太網(wǎng)上。采用CPLD芯片EPM7128S作為譯碼和驅動(dòng)電路。在本應用場(chǎng)合，家庭用戶(hù)終端對數據交換的速率要求不高，在1MB/s以下。所以可以采用一般的高速單片機，寫(xiě)入TCP/IP協(xié)議，這樣既可以滿(mǎn)足要求，價(jià)格又能讓用戶(hù)接受。

3 芯片介紹

(1)網(wǎng)絡(luò )接口控制器RTL8019AS

　　RTL8019AS是Realtek公司高集成度的專(zhuān)用以太網(wǎng)接口芯片，支持EthernetII、IEEE802.3、10Base5、10Base2、10BaseT，支持UTP、AUIBNC、PnP自動(dòng)探測模式，并且內嵌16KB SRAM用于收發(fā)緩沖，降低了對主處理器的速度要求。支持8位、16位數據總線(xiàn)模式；支持跳線(xiàn)、無(wú)跳線(xiàn)模式；有全雙工的通信接口，可以通過(guò)交換機在雙絞線(xiàn)上同時(shí)發(fā)送和接收數據，使帶寬從10M增加到20M，是用來(lái)進(jìn)行以太網(wǎng)通信的理想芯片。

　　RTL8019AS有3種工作方式：

① 跳線(xiàn)方式，網(wǎng)卡的I/O和中斷由跳線(xiàn)決定；

② 即插即用方式，由軟件進(jìn)行自動(dòng)配置plug and play；

③ 免跳線(xiàn)方式，網(wǎng)卡的I/O和中斷由外接的93C46里的內容決定。

　　網(wǎng)卡使用哪種方式由RTL8019AS的第65腳JP決定。65腳JP 為高電平時(shí)(接到VCC或通過(guò)一個(gè)10kΩ的電阻上拉)使用跳線(xiàn)方式；RTL8019AS引腳懸空時(shí)，輸入狀態(tài)為低電平(其它引腳也是這樣，懸空的輸入腳電平為低電平，里面有一個(gè)100kΩ的下拉電阻)。64腳AUI，該引腳決定使用AUI還是BNC接口。我們用的網(wǎng)卡接口一般是BNC的，很少用AUI。BNC接口方式支持8線(xiàn)雙絞或同軸電纜。高電平時(shí)使用AUI接口，懸空為低電平，使用BNC接口。IOCS16B引腳用電阻下拉為低電平，選擇8位數據總線(xiàn)模式，省去BROM模塊，只需8根數據線(xiàn)SD0~SD7?；刂愤x擇引腳IOS3、IOS2、IOS1、IOS0空接為低電平。因為芯片內部都接有下拉電阻，此時(shí)I/O基地址為300H，所以地址線(xiàn)SA8、SA9接高電平。又因為寄存器的地址偏移量為00H~1FH共32個(gè)，所以只用了地址線(xiàn)SA0~SA4，其余地址線(xiàn)接地即可。芯片的中斷線(xiàn)由IRQS2、IRQS1、IRQS0決定，全部空接時(shí)中斷線(xiàn)為INT0，8根中斷線(xiàn)7根空接。SMEMRB和SMEMWB引腳決定網(wǎng)絡(luò )接口類(lèi)型時(shí)，10BaseT、10Base2或10Base5采用懸空方式時(shí)為低電平。即為自動(dòng)選擇方式。AUI引腳決定使用AUI還是BNC接口，懸空時(shí)為低電平。使用BNC接口，支持雙絞線(xiàn)或同軸電纜，所使用的引腳有：TPIN+、TPIN－、TPOUT+、TPOUT－，接入網(wǎng)卡耦合隔離變壓器中，利用RJ45插頭實(shí)現與網(wǎng)絡(luò )的連接。

(2)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。外部晶振22.1184MHz，工作電壓5V。以硬件實(shí)現TCP/IP協(xié)議，提供API接口，極大地方便了使用，由外部集成 RAM。對用戶(hù)端以I2C協(xié)議或RS-232接口方式進(jìn)行通信，通信接口支持帶I2C接口MPU，為不帶I2C接口MPU提供I2C驅動(dòng)程序。E5122與網(wǎng)絡(luò )的接口為以太網(wǎng)接口，通過(guò)以太網(wǎng)控制芯片RTL8019連接到以太網(wǎng)。串行速率最大達115.2Kbps，達到真正實(shí)時(shí)傳送。

　　E5122 是完成TCP/IP 協(xié)議的專(zhuān)用芯片，用以實(shí)現以太網(wǎng)和串口之間的協(xié)議轉換?？梢詾榇谠O備提供完善的網(wǎng)絡(luò )通信解決方案，只需外接MPU。本系統采用的MPU型號是：89C52單片機。單片機程序中，只需要簡(jiǎn)單調用API函數即可實(shí)現。E5122結構如圖2所示。設備做為服務(wù)器端，即首次連接網(wǎng)絡(luò )時(shí)，客戶(hù)機端主動(dòng)請求連接服務(wù)器端作為被動(dòng)端監聽(tīng)，并接收連接的局域網(wǎng)內連網(wǎng)接收遠端客戶(hù)的主動(dòng)查詢(xún)訪(fǎng)問(wèn)，并將設備信息返回給客戶(hù)；同樣，還可以作為客戶(hù)機主動(dòng)和局域網(wǎng)內，或Internet上的主機進(jìn)行通信。 E5122 芯片外部使用32KB RAM，用來(lái)作為以太網(wǎng)數據緩沖，使用256字節(最少為256字節)的串行EEPROM(I2C總線(xiàn)接口)存儲系統參數。用戶(hù)通過(guò)串口與E5122 連接實(shí)現通信。E5122 完成TCP/IP 協(xié)議和串口通信協(xié)議。支持普通串口和用戶(hù)設備進(jìn)行交互，通過(guò)外接RTL8019AS 以太網(wǎng)控制芯片來(lái)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )連接。

　　當系統初次運行時(shí)，E5122會(huì )對RTL8019AS進(jìn)行初始化工作，并設置其工作模式以及中斷源等。

　　當RTL8019AS 接收到數據時(shí)，會(huì )觸發(fā)E5122 中斷。此時(shí)E5122 通過(guò)A8~A13 和A15 來(lái)選擇RTL8019AS的寄存器地址和存儲器地址，控制和實(shí)現數據的讀取。當有數據通過(guò)E5122 發(fā)送給RTL8019AS 時(shí)，通過(guò)地址線(xiàn)設置RTL8019AS 相應寄存器進(jìn)行數據發(fā)送。

4 硬件電路設計

　　在具體使用中，由于單片機本身的限制，進(jìn)行了一系列的簡(jiǎn)化設計。采用跳線(xiàn)工作方式，JP引腳接高電平； E5122與RTL8019AS接口用于傳輸網(wǎng)絡(luò )數據。

　　當系統初次運行時(shí)，E5122 會(huì )對RTL8019AS 進(jìn)行初始化工作，設置RTL8019AS 的工作模式以及設置中斷源等。當RTL8019AS 接收到數據時(shí)，會(huì )觸發(fā)E5122 中斷，此時(shí)E5122 通過(guò)A8~A13 和A15 來(lái)選擇RTL8019AS的寄存器地址和存儲器地址，控制和實(shí)現數據的讀取。

　　當有數據通過(guò)E5122 發(fā)送給RTL8019AS 時(shí)，通過(guò)地址線(xiàn)設置RTL8019AS 相應的寄存器進(jìn)行數據發(fā)送。

　　接口電路圖如圖3所示。

5 應用中的幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題

　　在系統的實(shí)際應用過(guò)程中，要注意以下幾個(gè)問(wèn)題。

(1)傳輸速度

　　在系統中，上位PC機與下位測控設備之間數據交換的速度，取決于以太網(wǎng)接口模塊的傳輸速度。而以太網(wǎng)模塊的傳輸速度取決于以太網(wǎng)接口芯片的速度、單片機的處理速度，以及和設備交換數據的方式。

　　在一般的測控系統中，要傳送的僅僅是控制命令和測量數據，數據量不大。模塊與測控設備之間采用RS-232、RS-485、CAN等串口方式連接，其通信速率僅幾十kb/s或上百kb/s。這時(shí)以太網(wǎng)接口芯片的速度(10Mb/s)和微處理器的速度就遠大于串口通信速度。因此傳輸速率主要就取決于串口的通信速率。

　　當要傳送的數據速率要求很高時(shí)(如圖像)，它與測控設備之間就不能再采用串口連接，而必須采用并口連接，這時(shí)傳輸速率就取決于微處理器的處理速度。此時(shí)，要選用一些高速的單片機，如P89C52RX系列或SX系列等單片機。

(2)IP地址

　　以太網(wǎng)測控系統中，測控設備通過(guò)該模塊進(jìn)入以太網(wǎng)，就必須確定自己的IP地址。IP地址的獲得有兩種方式：有動(dòng)態(tài)獲得IP地址和固定分配IP地址。由于E5122不支持RARP反向地址解析協(xié)議，因此無(wú)法獲得動(dòng)態(tài)IP地址，只能使用固定IP地址。

(3)安全控制

　　在小型封閉的局域網(wǎng)中進(jìn)行測控，安全問(wèn)題不大，但在廣域網(wǎng)甚至因特網(wǎng)上進(jìn)行測控，安全控制就至關(guān)緊要。為此，采用48~128位的用戶(hù)密碼來(lái)保護測控設備的安全。合法用戶(hù)可以修改、設定自己的密碼。網(wǎng)絡(luò )非法用戶(hù)即使竊取了IP地址，沒(méi)有用戶(hù)密碼，也無(wú)法操作設備。

(4)實(shí)時(shí)性問(wèn)題

　　測控系統在很多場(chǎng)合都要強調它的實(shí)時(shí)性，但以太網(wǎng)不是一個(gè)實(shí)時(shí)系統。由于它的載波偵聽(tīng)碰撞檢測(CSMA/CD)通信方式，決定了以太網(wǎng)中IP包的傳輸會(huì )有延遲，甚至丟包，這是利用以太網(wǎng)組成分布式測控系統最大的缺點(diǎn)。但是，現在以太網(wǎng)的速度越來(lái)越快，百兆網(wǎng)甚至千兆網(wǎng)，或在一些小型封閉的局域網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò )的繁忙程度大為減輕，IP包幾乎沒(méi)有碰撞，傳輸延遲、丟包現象就大大減小，不會(huì )影響測控系統的正常工作。同時(shí)，在系統的網(wǎng)絡(luò )層之上，可增加應答協(xié)議，丟包的問(wèn)題就可基本克服。

(5)連接方式

　　該模塊有兩個(gè)插座：一個(gè)是RJ-45插座，可用雙絞線(xiàn)直接連接到以太網(wǎng)；另一個(gè)是25腳插座，內含RS-232或RS-485總線(xiàn)接口。

結 語(yǔ)

　　隨著(zhù)21世紀的到來(lái)，人類(lèi)逐步跨入了信息時(shí)代。隨著(zhù)科技的進(jìn)步以及對生活質(zhì)量要求的不斷提高，人們對家電的選擇和使用，已經(jīng)從只關(guān)心家電的單項功能轉向追求家電品位和控制的便捷性。信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )化技術(shù)的發(fā)展，為家用電器居家環(huán)境集中控制和遠程遙控提供了可能。將信息技術(shù)與家電控制技術(shù)相融合，在更大程度上實(shí)現家庭生活的信息化和自動(dòng)化，滿(mǎn)足人們舒適、高節奏的生活需要，使所有的消費電子產(chǎn)品具有了連入網(wǎng)絡(luò )的能力，正是消費類(lèi)電子產(chǎn)品下一步的發(fā)展趨勢。家電的網(wǎng)絡(luò )化將給已趨飽和的家電消費市場(chǎng)帶來(lái)新的需求。對這方面的進(jìn)一步研究，使得人們的生活方式、工作方式以及思維方式都發(fā)生了巨大的變化；同時(shí)也刺激了人們對各種數據源和網(wǎng)絡(luò )服務(wù)需求的日益增長(cháng)，為信息社會(huì )注入新的生機和活力，具有重要的理論、實(shí)用和商用價(jià)值。