基于多媒體處理器VG2的智能家居控制器設計

　　摘要 介紹基于多媒體處理器VG2的智能家居控制器的設計，利用電視作為顯示終端，結合電話(huà)網(wǎng)和以太網(wǎng)實(shí)現遠程控制，支持USB本地數據交互;并給出相關(guān)硬件功能單元的設計與軟件實(shí)現。

　　關(guān)鍵詞 智能家居 VG2 μC/OS-II

　　現代社會(huì )家庭以家居的安全、舒適、便利和多元化信息的生活環(huán)境作為一個(gè)理想目標，20世紀90年代以后，網(wǎng)絡(luò )化智能家居的出現，實(shí)現了在家庭范圍內信息設備、通信設備、娛樂(lè )設備、家用電器、照明設備、家庭求助報警、家庭安防及水電氣熱表(四表三防)等家居設備的遠、近程網(wǎng)絡(luò )互連，為用戶(hù)提供了服務(wù)和自主管理能力。本文采用多媒體處理器Virgine G2(簡(jiǎn)稱(chēng)“VG2”)作為主控芯片設計了一款智能家居控制器，以家庭人居習慣的音視設備為中心，以電視與遙控器為人機交互界面，實(shí)現家庭住宅的自主管理和智能化服務(wù)。

　　1 智能家居控制器設計

　　1.1 智能家居控制器總體結構

　　智能家居控制器采用家庭電視顯示，由遙控器、面板自帶鍵盤(pán)控制，將信息設備、通信設備、家用電器、安防系統、門(mén)禁系統、四表自動(dòng)抄表系統等獨立單元的家居設施跨平臺地有機結合，利用網(wǎng)絡(luò )和電話(huà)實(shí)現遠、近程操作控制智能化。圖1是智能家居控制器系統基本結構圖。

　　1.2 智能家居控制器功能

　　智能家居控制器的沒(méi)計原則以人居習慣為出發(fā)點(diǎn)，最大限度地方便用戶(hù)使用;以控制器為核心，接口電路易于安裝和擴展。

　　控制器提供4路音視頻輸入切換接口，在主控制芯片VG2的控制下，對輸入信號進(jìn)行切換，并可對視頻輸入信號進(jìn)行圖文疊加處理輸出到電視顯示器上。家居控制器以設置的紅外入侵、門(mén)磁窗磁、門(mén)鈴門(mén)禁和氣體傳感器動(dòng)作信號為依據，為用戶(hù)提供家庭安全防范。用戶(hù)可手動(dòng)設定，或遠程管理家庭聲光設備和控制家用電器的運行。

　　根據網(wǎng)絡(luò )接入的不同，家居控制器可運行在3種模式(家庭自主系統、小區服務(wù)器網(wǎng)絡(luò )系統和TCP/IP寬帶網(wǎng)絡(luò )系統)下，為用戶(hù)提供以下功能。

　?、偌彝ダ碡敚杭彝ニM、電費、煤氣費和供熱費的記錄顯示和傳輸;家庭日常支出的錄入和顯示;家庭月、季、年支出累計。

　?、诩艺?wù)：家庭對小區物業(yè)公司的鐘點(diǎn)工(清潔、保姆、護理等)，醫護人員，水電氣維修工，送飯、送貨人員的預約、召喚和呼救。

　?、奂彝グ卜溃洪T(mén)禁(可視對講)控制操作;家庭安防系統(紅外入侵報警、窗玻璃碎報警等)預警設置和聲光/遠程報警。

　?、芗彝ル娮颖Ｄ罚嚎深A置(或通過(guò)電話(huà)遠程控制)電飯煲、微波爐、洗衣機、熱水器等家電的開(kāi)關(guān)時(shí)間。

　?、菁彝バ畔⑵脚_：直接收看電視節目;轉接播放VCD、DVD;完成數字電視接收、轉換和高清晰電視處理播放;實(shí)現網(wǎng)絡(luò )接入等。

　?、尬飿I(yè)管理：小區發(fā)布公共信息;各戶(hù)信息通告等。

　　1.3 接口設計

　　根據系統功能設計，家居控制器提供了豐富的功能接口。

　　音視頻輸入接口：接入有線(xiàn)電視、DVD/VCD、攝像頭等信號。在模擬電子開(kāi)關(guān)的控制下可根據需要進(jìn)行切換控制。

　　音視頻輸出接口：通過(guò)視頻利用放大器MAX4310實(shí)現4路復合視頻信號的驅動(dòng)功能，為電視機提供聲音和視頻圖像信號。

　　網(wǎng)絡(luò )輸入/輸出接口：接入網(wǎng)絡(luò )，提供網(wǎng)絡(luò )數據服務(wù)，采用芯片RTL8019AS，全雙工，收發(fā)速率可達10 Mbps。

　　鍵盤(pán)接口：外接面板20鍵鍵盤(pán)，用戶(hù)通過(guò)鍵盤(pán)或遙控器操作選擇相應功能。

　　USB接口：接入優(yōu)盤(pán)，提供數據存儲功能、功能擴展預留;以ISPll61A1為核心，提供2路下行端口，1路上行端口，遵循USBv2.O規范。

　　RS485接口：接入多功能集中/遠傳自動(dòng)抄表系統，可直接與數據采集器相連接，實(shí)現對4路基表輸出的脈沖信號實(shí)時(shí)采集、自動(dòng)處理和數據保存。

　　I/O接口：提供8路輸入和8路輸出，接收來(lái)自紅外入侵探測器、門(mén)磁窗磁、門(mén)鈴門(mén)禁和多種傳感器的安防警示系統的信號，為系統報警提供依據;輸出控制信號，實(shí)現家電控制、聲光控制和報警控制。

　　市話(huà)接口：串接在外線(xiàn)和普通電話(huà)之間，接入市話(huà)網(wǎng)，接收電話(huà)控制指令，可自動(dòng)撥打預設電話(huà)報警，亦可直接與110聯(lián)網(wǎng)報警。采用MT8888負責DTMF信號的收發(fā)，使用ISD1420錄入用戶(hù)的地址信息。

　　2 關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現方案

　　VG2是ADChips公司推出的一款內嵌32位微處理器的多媒體處理器，集數據、視頻、音頻處理為一身。內部包括1個(gè)基于3維圖形算法的2維圖形加速器VR0_2D，還嵌有1個(gè)32通道的8/16位音頻引擎，以及視頻DAC、DRAM控制器、DMA、定時(shí)器、雙串口等多種外設。

　　家居控制器的主要功能單元包括：視頻疊加、數據傳輸與存儲、市活控制和抄表系統。其中，抄表系統采用“多用途集中遠傳抄表系統”，通過(guò)R8485網(wǎng)絡(luò )與主控模塊相連接，硬件上無(wú)需另行設計。

　　2.1 視頻疊加單元

　　視頻疊加單元實(shí)現圖形文字與視頻信號的疊加(如操作提示信息與電視信號的疊加等)。主控芯片VG2對圖像數據進(jìn)行處理，將圖像數據轉換成RGB信號輸出;同時(shí)帶有行、場(chǎng)等各種同步信號，為視頻疊加電路提供圖像RGB信號，以實(shí)現與外部視頻信號的疊加。

　　視頻疊加單元采用東芝公司的視頻疊加芯片TBl238和三星公司的視頻編碼芯片KA2198實(shí)現視頻疊加和編碼。TBl238是基于I2C總線(xiàn)的彩色電視信號處理芯片，可以實(shí)現外部視頻信號解碼、同步提取、三基色信號疊加等功能;片內含有視頻與色度信號處理以及掃描小信號產(chǎn)生電路，集成基帶延遲線(xiàn)，以及音、視頻開(kāi)關(guān)電路，可單片實(shí)現PAL/NTSC制信號的解碼，輸出R、G、B三基色信號。視頻系統的RGB編碼采用KA2198單片電路，支持PAL制式和NTSC制式。KA2198包含了R-Y/B-Y矩陣、調節器、脈沖產(chǎn)生器、標準儀、內嵌的色度BPF(帶通濾波器)和亮度延遲線(xiàn)、使用S-VHS系統的Y/X輸出。

　　視頻疊加采用復合視頻信號彩色解碼后疊加法。外部視頻信號由TBl238解碼為RGB三基色信號，與VG2輸出的RGB信號分別疊加;得到疊加后的RGB信號，再由KA2198進(jìn)行視頻編碼，輸出含有疊加圖形的復合視頻信號。電路組成如圖2所示。

　　2.2 市話(huà)控制單元

　　市話(huà)控制單元利用住宅電話(huà)資源，串接在外線(xiàn)和用戶(hù)的普通電話(huà)機中間，平時(shí)不影響電話(huà)正常使用。它由外圍摘掛機控制電路、振鈴檢測電路、DTMF收發(fā)電路、語(yǔ)音錄放電路等構成。

　　采用MT8888為核心，接收和發(fā)送DTMF全部16個(gè)信號。MT8888發(fā)送部分采用信號失真小、頻率穩定性高的開(kāi)關(guān)電容式D/A變換器，接收部分用于完成DTMF信號的接收、分離和譯碼，并以4位并行二進(jìn)制碼的方式輸出;可調整雙音頻模式的占空比，能自動(dòng)抑制撥號音和調整信號增益，帶有標準的數據總線(xiàn)，與TTL電平兼容。采用VG2微控制器進(jìn)行編程控制，可實(shí)現通過(guò)DTMF收發(fā)電路撥出電話(huà)號碼進(jìn)行電話(huà)通告和報警，以及接收遠端的用戶(hù)指令對家庭設備進(jìn)行相應的操作。

　　選用的數字語(yǔ)音芯片為ISDl420，具有先進(jìn)的模擬/數字語(yǔ)音存儲技術(shù)，音質(zhì)好，無(wú)需A/D轉換，可錄制20 s的語(yǔ)音信息，可分段存儲信息，地址總線(xiàn)與單片機接口;零功率信息存儲方式，斷電情況下，信息可保留10年以上;易于使用，可隨意改變錄音內容，錄放次數達10萬(wàn)以上。

　　在本系統中，ISD1420用于存儲用戶(hù)的地址語(yǔ)音信息(住宅的地理位置)，以便與110聯(lián)網(wǎng)。電話(huà)在模擬摘機后的系統提示語(yǔ)音和各種警情語(yǔ)音信息由VG2的音頻引擎輸出直接耦合到通話(huà)線(xiàn)路中。當接收到報警信號時(shí)，系統查詢(xún)系統參數，決定是否報警，采用何種方式報警(可以自動(dòng)撥出用戶(hù)設置的報警電話(huà)，向用戶(hù)提供語(yǔ)音報警和現場(chǎng)聲響;也可通過(guò)電話(huà)指令啟動(dòng)警號和其他執行機構)，并決定主機進(jìn)入布防還是撤防狀態(tài)。

　　摘掛機電路通過(guò)控制一個(gè)電流源的通斷來(lái)實(shí)現。在掛機狀態(tài)下，電路上的電流可以忽略不計;摘機時(shí)的電流約為30 mA，同時(shí)可以保證電路具有較小的直流阻抗(<300Ω)和較大的交流阻抗(>600Ω)。振鈴時(shí)線(xiàn)路上為(90±15)V、(25±3)Hz、ls送、4s斷的蜂音(GB3380-1982)，將線(xiàn)路上的電壓與參考電壓比較，以檢測出振鈴信號。

　　當有電話(huà)呼入時(shí)，在響鈴達到毆定次數后，家居控制器接管電話(huà)，給出語(yǔ)音提示，提供留言或輸入密碼進(jìn)入家電控制(若3次輸入密碼不正確，則家居控制器將自動(dòng)掛斷電話(huà))。電話(huà)線(xiàn)路上的撥號音、回鈴音、忙音等信號是頻率為(450土25)Hz的交流電源，電平為(-10±3)dBm。置MT8888為呼叫進(jìn)程處理模式.根據不同信號的計數值不同進(jìn)行區分，可實(shí)現撥號音、忙音、回鈴音的檢測。市話(huà)控制單元結構如同3所示。

　　2.3 數據傳輸及數據存儲單元

　　采用Realtek公司的以太網(wǎng)接口芯片RTL80l9AS和Philips公司的USB主從控制芯片ISP1161A1，為用戶(hù)提供網(wǎng)絡(luò )接入和數據存儲功能。

　　ISPll6lAl是Philips公司生產(chǎn)的一種單片通用串行總線(xiàn)(USB)控制器，遵循USBv2.0規范，為USB HC提供了2個(gè)下行端口，為USB DC提供1個(gè)上行端口。每一個(gè)下行端口都有自己的過(guò)流(OC)檢測輸入端和電源轉換控制輸出端;上行端口有自己的VBUS檢測輸入端。內建4 KB的FIFO緩存RAM供HC使用，2 462字節的FIFO緩存RAM供DC使用。在ISP116lAl作為USB主機時(shí)，根據硬件資源的分配，其數據地址是0x015000000，命令地址為0x01500002。HC的編程接口時(shí)序最小值不超過(guò)300ns，在VG2接14.318 MHz晶振、ISP1161外接12 MHz晶振時(shí)，可以滿(mǎn)足VG2和ISP1161協(xié)調工作的時(shí)序要求。

　　RTL8019AS網(wǎng)絡(luò )接口芯片具有16位數據總線(xiàn)和24位地址總線(xiàn)，具有曼徹斯特編碼、沖突檢測和重發(fā)的功能;可以與很少的外圍電路一起完成數據的發(fā)送和接收，全雙工，收發(fā)速率可同時(shí)達到10Mbps;內置16KB的SRAM用于數據收發(fā)的緩沖，支持跳線(xiàn)和免跳線(xiàn)，即插即用的上作模式。圖4是數據傳輸及數據存儲結構圖。RTL8019AS工作在跳線(xiàn)方式下，IOS3～IOSO為低電平，設置其I/O基地址為Ox300，RTL8019AS只對地址為0x300～0x31F的信號產(chǎn)生響應;IRQS2～IRQS0為低電平，INT0被選中作為中斷請求的輸出，PLl、PLO為低電平.設置具有自動(dòng)檢測接口類(lèi)型的功能。

　　3 軟件設計

　　本文采用μC/OS-II(v2.51)嵌入式操作系統作為家居控制器的軟件平臺。μC/OS-II是一個(gè)占先式多任務(wù)操作系統，可固化、可裁剪，易于移植，具有良好的可靠性和穩定性;支持多達64個(gè)任務(wù)，以及信號量、消息郵箱、消息隊列等多種進(jìn)程問(wèn)通信機制。由于沒(méi)有TCP/IP和USB協(xié)議棧，因此移植了1wIP和USB HOST協(xié)議來(lái)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )通信和USR數據傳輸。

　　3.1 μC/OS-II在VG2上的移植

　　采用Cygwin作為編譯平臺的EISC STUDIO集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，用戶(hù)可以在C程序中插入匯編語(yǔ)言(可擴展指令集)，在移植過(guò)程中修改了OS_CPU.H和OS_CPU_C.C，4個(gè)與處理器相關(guān)的函數在OS_CPU_C.C中實(shí)現。堆棧的增長(cháng)方向為向下，入口寬度為32位。初始化后數據結構依次為opt，ptos，pdata，0x0，task，0x3000，0xe，0x7，0x6，Ox5，0x4，0x3，0x2，0xl，0x0。OSStartHighRdy()在OS_CPU_C.C中的實(shí)現實(shí)例如下(限于篇幅，其他函數不再一一列出)：

　　3.2 1wIP協(xié)議在μC/OS-II上的移植

　　1wIP是一個(gè)比較完備的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，有與操作系統接口的封裝層。1wIP的移植主要包括4個(gè)方面的工作：

　　◇處理與編譯器和硬件相關(guān)的include文件;

　　◇實(shí)現與操作系統相關(guān)的結構和函數;

　　◇實(shí)現lib_arch中的庫函數;

　　◇實(shí)現RTL8019As驅動(dòng)程序。

　　RTL8019AS與Ne2k芯片兼容，可參照ethernetif.c網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)模板實(shí)現網(wǎng)絡(luò )設備的驅動(dòng)。

　　3.3 USB主機系統的實(shí)現

　　USB主機系統的實(shí)現主要是核心驅動(dòng)程序(USBD)和主控制器驅動(dòng)程序(HCD)的實(shí)現。HCD是協(xié)議棧最底層對主機控制器硬件和數據傳輸的抽象，向上為USBD提供一個(gè)軟件接口(HCDI)，向下管理和檢測主機控制器硬件的行為。USBD是USB體系的中樞，用于檢測和管理USB系統的所有活動(dòng)，向上接收USB設備驅動(dòng)程序和用戶(hù)程序的各種命令和數據，向下把處理好的各種數據發(fā)送給HCD，并最終與設備進(jìn)行通信。主機要支持設備類(lèi)，就要建立特定的設備類(lèi)協(xié)議，本設計實(shí)現了USB Mass Storage類(lèi)，移植了ZLG/FS文件系統。

　　3.4 智能家居控制器的軟件設計

　　軟件設計采用模塊化、與內核相分離的原則，可保證程序具有良好的可移植性和可重用性，主要有網(wǎng)絡(luò )模塊、USB模塊、市話(huà)控制模塊、顯示模塊、鍵盤(pán)模塊和抄表模塊等。每個(gè)模塊都有相應的功能.其中一些模塊還包含一些子模塊，各個(gè)模塊相互獨立又相互聯(lián)系，它們的有機組合為用戶(hù)提供相應的功能。按照軟件所屬層次可劃分為3層：內層是實(shí)時(shí)操作系統內核;中間件層主要是芯片的驅動(dòng)和通信協(xié)議的移植;外層是應用層，為用戶(hù)提供具體的功能應用。系統復位后，主程序首先對進(jìn)行系統進(jìn)行初始化，獲取系統狀態(tài)信息。VG2自帶看門(mén)狗設置，在程序正常執行過(guò)程中每隔一段時(shí)間觸發(fā)看門(mén)狗電路，進(jìn)行喂狗。

　　4 小結

　　智能家居控制器是家庭內外信息交換和家電控制平臺。本文采用ADChips公司的多媒體處理器VG2作為主控芯片，網(wǎng)絡(luò )的接入和USB技術(shù)的應用保證了大數據量傳輸和存儲的穩定性以及功能的可擴展性，兼顧了傳統電話(huà)網(wǎng)絡(luò )遠程控制方式。智能家居控制器操作簡(jiǎn)單，使用方便，達到了預期的設計目的。