基于USB通信的多功能智能插座

1.概述

　　現有的插座在其使用方式、功能以及外形特征等諸方面都表現出多樣化的趨勢。有的增加了保險功能、電源指示功能、開(kāi)關(guān)功能,有的增加了調壓功能。這些插座的功能無(wú)論怎樣,只能是單一的目的:為用電設備提供電源接口。它們的共同缺陷就是不具有信息化和智能化功能。為了實(shí)現插座的信息化和智能化，我們將研究設計的智能信息系統與插座結合,將該智能設備與電源插座合為一體,設計成多功能智能監測插座。該插座由于在建筑電氣安裝時(shí)一次性固定完成,采用照明電源供電,人們使用時(shí)就好象使用普通電源插座一樣,免除了過(guò)多的連接線(xiàn)。

2.系統功能與組成

2．1功能

該多功能智能監測插座是在普通插座的基礎上,結合信息的需要,增加了如下功能:

　　1） 對接入插座的電器的電壓、電流、頻率進(jìn)行監測。

　　2） 對插座工作環(huán)境溫度進(jìn)行監測。

　　3） 將監測到的電器的工作電壓或電流與其額定值進(jìn)行比較，如果超過(guò)額定值，主機就發(fā)送命令給執行單元，自動(dòng)切斷該電器的電源，實(shí)現了保護功能。

　　4） 通信功能：將監測到的信息經(jīng)過(guò)通信接口傳給上位機，在家庭內部或工業(yè)現場(chǎng)可以連成一個(gè)局域網(wǎng)。在主機端人們可以通過(guò)一個(gè)人機界面定期或不定期查詢(xún)接入插座的諸電器的工作狀況。如果想實(shí)現進(jìn)一步的方便，可以將該局域網(wǎng)通過(guò)公用電話(huà)網(wǎng)連到Internet 上，這樣就可以在家庭以外的地方用手機或PC機隨時(shí)方便地查詢(xún)家用電器的工作情況了。

2．2組成

　　該智能監測插座由電源系統、監測系統、控制系統、通信系統四部分組成。(1)電源系統:完成照明電源到直流穩壓電源的變換,提供給該智能系統工作電源。由隔離降壓、整流、濾波、穩壓等電路組成。

　　(2)監測系統:由電壓傳感器、電流傳感器和溫度傳感器以及模／數變換電路組成,負責信息的采集處理。

　　(3)控制系統:由微處理機(單片機)和執行器件組成。微控制器一方面控制采集部分的模擬量到數字量的轉換；另一方面接受上位機的命令，然后將這個(gè)命令交給執行單元去完成，比如切斷用電器的電源。

　?。?）通信系統：該插座的通信系統主要是在其內部增加一個(gè)通信接口，以便聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)器進(jìn)行通信。由于該設備構成局域網(wǎng)，在設計要采用分層次的設計思想，在這篇文章里，只考慮設計最低的一層：物理層的通信實(shí)現。

3．物理層通信的設計

　　在串行通信口的缺點(diǎn)中有三項最為突出：低速、復雜的電纜和端口數的限制。通用串行總線(xiàn)（USB）不僅克服了所有這三項缺點(diǎn)，而且具有支持熱插拔、容易擴展、低成本、低干擾等優(yōu)點(diǎn)。USB標準已經(jīng)成為業(yè)界普遍認同的一種事實(shí)上的接口標準，支持這一標準各種新產(chǎn)品正在大量涌現，而且現在的微型計算機上都有USB接口，所以我們就選擇USB作為該多功能插座和主機串行通信的接口。

3．1 USB接口芯片及其工作原理

　　在這篇文章中我們采用Philips公司推出的PDIUSBD12芯片，這是一種價(jià)格便宜、功能完善的并行接口芯片,它支持多路復用、非多路復用和DMA并行傳輸。PDIUSBD12接口芯片遵從協(xié)議USB1.1,適合于不同用途的傳輸類(lèi)型。PDIUSBD12需要外接微控制器(MCU)來(lái)進(jìn)行協(xié)議處理和數據交換,它對MCU沒(méi)有特殊要求,而且接口方便靈活,因此設計師可以選用自己熟悉的MCU對芯片進(jìn)行控制,也可利用Philips公司的固件(firmware)結構來(lái)縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間、降低風(fēng)險、減小投資。

　　性能特點(diǎn)：PDIUSBD12除了具有USB設備的一般特性外,還具有如下特點(diǎn):（1）是一種高性能的USB接口芯片,其內部集成有SIE（Serial Interface Engine）、320字節的FIFO、收發(fā)器和電壓調節器。（2）適用于大部分設備類(lèi)規范?？膳c任何外部微控制器／微處理器實(shí)現高速并行接口,其速度可高達2Mbit/s。

　?。?）可進(jìn)行完全獨立的DMA操作。

　?。?）主端點(diǎn)配置有雙緩沖,因而可提高數據的吞吐量、減小數據傳輸時(shí)間,輕松實(shí)現數據的實(shí)時(shí)傳輸。

　?。?）當采用同步傳輸方式時(shí),數據的傳輸速度為1Mbit/s;而采用批量傳輸方式的速度為1Mbyte/s。在使用上述方式進(jìn)行數據傳輸時(shí),可方便地使用多種中斷方式。

　?。?）帶有可編程的時(shí)鐘輸出,與USB總線(xiàn)的連接可通過(guò)軟件來(lái)控制(Soft Connect TM)。

　　(7)有兩種工作電壓可供選擇:分別為3.3±0.3Ｖ和3.6～5.5Ｖ。

　　(8)輸出和數據傳輸狀態(tài)可通過(guò)USB連接指示燈來(lái)監控。