單片機模擬信息家電設計方案

1 引言

　　目前的信息家電還處在初級階段，信息家電的標準還未確定，對其的研究也還未有突破性的進(jìn)展。另外，隨著(zhù)以PC為中心拓展出來(lái)的各種家庭數字產(chǎn)品開(kāi)始浮出水面，在未來(lái)的數字家庭中，PC作為家庭應用的控制中心的地位將越來(lái)越受到重視。

　　本文利用SX52單片機和外圍擴展模塊模擬信息家電，利用PC模擬家庭網(wǎng)關(guān)，從而成功搭建了一個(gè)模擬家庭網(wǎng)關(guān)和信息家電交互的平臺。這種利用一個(gè)單片機集成系統對信息家電進(jìn)行模擬為研究信息家電的內部體系結構以及家庭網(wǎng)關(guān)和信息家電功能分配提供了實(shí)驗平臺，同時(shí)大大節省了資源和費用。

創(chuàng )新點(diǎn)：本文描述了利用SX52為主芯片，通過(guò)擴展外圍電路和軟件模塊模擬信息家電的通用方法，并以模擬電風(fēng)扇做了具體實(shí)現，為后續對信息家電和家庭網(wǎng)關(guān)的研究提供了基礎實(shí)驗平臺。

　　2 信息家電

　　信息家電是所有能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò )系統交互信息的家電產(chǎn)品，也就是說(shuō)信息家電是將數字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)集成在電冰箱、洗衣機等傳統家用電器上并以此為基礎建立家庭網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，信息家電具有以下特點(diǎn)：

　?。?）相互之間通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)方式相連，能相互識別并協(xié)同工作與網(wǎng)絡(luò )化；

　?。?）能夠遵循一定的協(xié)議，通過(guò)家庭網(wǎng)關(guān)或直接與外部網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行信息交互；

　?。?）與用戶(hù)雙向交流，功能單一集中并且便于學(xué)習，使用簡(jiǎn)單；

　?。?）信息家電應該具有實(shí)時(shí)化，數字化與智能化的特點(diǎn)；

　?。?）應用嵌入式操作系統。其內部體系結構可用下圖表示：

　　其中虛框顯示的嵌入式操作系統層，在今后隨著(zhù)信息家電產(chǎn)品功能的增多增強，使用嵌入式操作系統是一種必然趨勢，本文在單片機上實(shí)現模擬系統就沒(méi)有采用嵌入式操作系統，這樣極大地節省了資源和費用。

　　3 家庭網(wǎng)絡(luò )與家庭網(wǎng)關(guān)

　　家庭網(wǎng)絡(luò )借助現有的計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，將家庭內各種家電和設備連網(wǎng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )為人們提供各種豐富、多樣化、個(gè)性化、方便、舒適、安全和高效的服務(wù)。實(shí)現家庭網(wǎng)絡(luò )與外部信息的交換需要設計一個(gè)理想的家庭網(wǎng)關(guān)。家庭網(wǎng)關(guān)是一種簡(jiǎn)單的、智能的、標準化的、靈活的整個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò )接口單元，它可以從不同的外部網(wǎng)絡(luò )接收通訊信號，通過(guò)家庭網(wǎng)絡(luò )傳遞信號給某個(gè)消費設備。家庭網(wǎng)關(guān)應具備的兩個(gè)主要功能是：（1）作為家庭內部網(wǎng)絡(luò )和外部網(wǎng)絡(luò )連接的一種物理接口；（2）使住宅用戶(hù)可以獲得各種家庭服務(wù)的平臺。

　　家庭網(wǎng)關(guān)接口的有效的解決方案，當前比較統一的觀(guān)點(diǎn)是開(kāi)發(fā)一個(gè)集中式網(wǎng)關(guān)，它將提供一個(gè)最有效的橋接外部網(wǎng)絡(luò )和家庭網(wǎng)絡(luò )或設備的解決方案。

　　4 嵌入式Web服務(wù)器

　　嵌入式Web服務(wù)器（EmbeddedWebServer,EWS）是指將Web服務(wù)器引入到現場(chǎng)測試和控制設備中，在相應的硬件平臺和軟件系統的支持下，使傳統的測試和控制設備轉變?yōu)榫邆淞艘訲CP/IP為底層通信協(xié)議，Web技術(shù)為核心的基于互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )測試和控制設備。EWS系統與傳統的Web應用相比，簡(jiǎn)化了系統結構，將信息采集和信息發(fā)布都集成到現場(chǎng)的測控設備中。由于有了標準的接口形式和通信協(xié)議，內嵌于設備的Web服務(wù)器可以向任何接入它所在網(wǎng)絡(luò )的合法用戶(hù)提供統一的基于瀏覽器方式的操作和控制界面，瀏覽器成了設備的前端控制板。由于Web技術(shù)的開(kāi)放性和獨立平臺特性，大大降低了軟件系統和通信系統的設計、維護工作量，節省了人員培訓費用等，提高了現場(chǎng)測試和控制設備的管理水平。

　　5 硬件選型

　　5.1 SX52的優(yōu)勢

　　用單片機實(shí)現嵌入式互聯(lián)網(wǎng)方案的技術(shù)難點(diǎn)是：如何利用單片機本身有限的資源對信息進(jìn)行TCP/IP協(xié)議處理，使之變成可以在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸的IP數據包。目前解決這個(gè)問(wèn)題有兩種方案：一種是PC網(wǎng)關(guān)+專(zhuān)用網(wǎng)，缺點(diǎn)是要增加布線(xiàn)和第三方協(xié)議轉換軟件；另一種是32位MCU+RTOS,弊端是開(kāi)發(fā)難，成本極高。而用軟件方法實(shí)現網(wǎng)絡(luò )協(xié)議比采用集成網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的芯片，具有節省空間、降低成本的優(yōu)點(diǎn)，更重要的是可以隨意配置甚至修改各種協(xié)議，且能通過(guò)軟件升級方式跟隨未來(lái)的發(fā)展。

　　通過(guò)美國Ubicom公司的SX52微控器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )控制更具其獨特優(yōu)勢，主要體現在：

　?。?）速度快，在100MHz頻率下能達到100MIPS;

　?。?）現成的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議模塊供套用，可以通過(guò)虛擬外設功能來(lái)運行網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧，例如TCP、IP、HTTP以及SMTP等；

　?。?）強大的虛擬外設功能，即通過(guò)軟件對I/O口進(jìn)行靈活的配置，CPU執行虛擬軟件模塊就可以驅動(dòng)普通的I/O口來(lái)模擬外設的功能，比如UART、SPI、IIC和FSK等。采用其成功的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議模塊和一些適用于小型嵌入系統的做法構筑現場(chǎng)控制Web服務(wù)器是最明智的做法。

　　5.2 SX52主要模塊功能特點(diǎn)

　　5.2.1 CPU模塊（包括在線(xiàn)下載ISP電路）

　　此模塊實(shí)現開(kāi)發(fā)系統板的系統控制，并實(shí)現網(wǎng)絡(luò )接口控制，主要包含SX52BD、24C256。

　　SX52BD開(kāi)發(fā)系統板主CPU,它是UBICOM公司生產(chǎn)的一款RISC指令集的高速8位單片機，片上帶有4K×16位的Flash存儲器和262×8位的RAM。由于采用CPU并行流水線(xiàn)方式及單時(shí)鐘周期指令，在100MHz晶振驅動(dòng)下指令執行速度可達100MIPS。這款單片機以其優(yōu)異的性能，可以廣泛應用在需要網(wǎng)絡(luò )支持的場(chǎng)合，尤其適合于需要網(wǎng)絡(luò )遠程控制或遠程監控的應用中。開(kāi)發(fā)系統板所實(shí)現的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議（IP、ARP、DHCP、UDP、TCP、HTTP、SMTP）就是通過(guò)此芯片實(shí)現的。

　　EEPROM器件24C256用于存儲網(wǎng)頁(yè)內容，主CPU通過(guò)I2C總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)24C256,其中存儲的網(wǎng)頁(yè)內容通過(guò)主CPU的讀寫(xiě)操作可以實(shí)現網(wǎng)頁(yè)的瀏覽、重新下載和更新。

　　5.2.2 網(wǎng)絡(luò )接口模塊

　　此模塊實(shí)現了兩種網(wǎng)絡(luò )接口方式：以太網(wǎng)接口和調制解調器接口，主要包含RTL8019AS、以太網(wǎng)收發(fā)濾波器芯片、MAX232等。

　　5.2.3 用戶(hù)試驗區模塊

　　主CPU的信號引腳都已經(jīng)連接到用戶(hù)試驗區的周?chē)?，?組共40條信號線(xiàn)。開(kāi)發(fā)使用人員可以在試驗區利用這些信號進(jìn)行相應的外圍電路擴展試驗。

　　5.2.4 調試、仿真和下載模塊

　　開(kāi)發(fā)系統板上有調試、仿真和下載接口。通過(guò)CPU模塊中的SIP4針插座（SX-KEY），配接UBICOM公司提供的“SXKEY”

　　仿真頭與此插座相連，就可以實(shí)現在線(xiàn)式系統的仿真（包括單步、斷點(diǎn)等功能）、調試、和程序ISP方式編程下載。

　　6 模擬系統的設計與實(shí)現

6.1 添加外圍硬件電路

　　本文選擇PC機和SX52作為模擬實(shí)現信息家電和家庭網(wǎng)關(guān)交互的平臺是非常合適的，因為我們利用其用戶(hù)試驗區模塊擴展外圍模塊電路（如電風(fēng)扇遙控模塊）模擬信息家電，以實(shí)現通過(guò)遠程終端（Web瀏覽器或者專(zhuān)用控制客戶(hù)端）對信息家電的控制，本文只討論利用嵌入式Web服務(wù)器，通過(guò)Web頁(yè)面的方式實(shí)現對家電的遠程控制這一方式。在板上添加了電風(fēng)扇遙控發(fā)射電路（主芯片CS5104），由主CPU直接控制，能夠實(shí)現對電風(fēng)扇的遙控功能，同時(shí)為了了解開(kāi)發(fā)系統遙控效果，還添加了遙控接收電路（主芯片CS8206），可以響應發(fā)射電路的遙控信號。還添加了遙控接收端狀態(tài)LED（12只）用于顯示電風(fēng)扇狀態(tài)。硬件構成框圖如圖2所示，本文只給出包含電風(fēng)扇模塊的框圖，添加其它模塊類(lèi)似。