基于多媒體處理器VG2的智能家居控制器設(shè)計(jì)

    現(xiàn)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(biāo)，20世紀(jì)90年代以后，網(wǎng)絡(luò)化智能家居的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了在家庭范圍內(nèi)信息設(shè)備、通信設(shè)備、娛樂(lè)設(shè)備、家用電器、照明設(shè)備、家庭求助報(bào)警、家庭安防及水電氣熱表(四表三防)等家居設(shè)備的遠(yuǎn)、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(shè)計(jì)了一款智能家居控制器，以家庭人居習(xí)慣的音視設(shè)備為中心，以電視與遙控器為人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)
1.1 智能家居控制器總體結(jié)構(gòu)
    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(shè)備、通信設(shè)備、家用電器、安防系統(tǒng)、門(mén)禁系統(tǒng)、四表自動(dòng)抄表系統(tǒng)等獨(dú)立單元的家居設(shè)施跨平臺(tái)地有機(jī)結(jié)合，利用網(wǎng)絡(luò)和電話(huà)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)、近程操作控制智能化。圖1是智能家居控制器系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖。

1．2 智能家居控制器功能
    智能家居控制器的沒(méi)計(jì)原則以人居習(xí)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(kuò)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(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行切換，并可對(duì)視頻輸入信號(hào)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(shè)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(hào)為依據(jù)，為用戶(hù)提供家庭安全防范。用戶(hù)可手動(dòng)設(shè)定，或遠(yuǎn)程管理家庭聲光設(shè)備和控制家用電器的運(yùn)行。
    根據(jù)網(wǎng)絡(luò)接入的不同，家居控制器可運(yùn)行在3種模式(家庭自主系統(tǒng)、小區(qū)服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和TCP/IP寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng))下，為用戶(hù)提供以下功能。
    ①家庭理財(cái)：家庭水費(fèi)、電費(fèi)、煤氣費(fèi)和供熱費(fèi)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(jì)。
    ②家政服務(wù)：家庭對(duì)小區(qū)物業(yè)公司的鐘點(diǎn)工(清潔、保姆、護(hù)理等)，醫(yī)護(hù)人員，水電氣維修工，送飯、送貨人員的預(yù)約、召喚和呼救。
    ③家庭安防：門(mén)禁(可視對(duì)講)控制操作；家庭安防系統(tǒng)(紅外入侵報(bào)警、窗玻璃碎報(bào)警等)預(yù)警設(shè)置和聲光／遠(yuǎn)程報(bào)警。
    ④家庭電子保姆：可預(yù)置(或通過(guò)電話(huà)遠(yuǎn)程控制)電飯煲、微波爐、洗衣機(jī)、熱水器等家電的開(kāi)關(guān)時(shí)間。
    ⑤家庭信息平臺(tái)：直接收看電視節(jié)目；轉(zhuǎn)接播放VCD、DVD；完成數(shù)字電視接收、轉(zhuǎn)換和高清晰電視處理播放；實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入等。
    ⑥物業(yè)管理：小區(qū)發(fā)布公共信息；各戶(hù)信息通告等。
1．3 接口設(shè)計(jì)
    根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，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(hào)。在模擬電子開(kāi)關(guān)的控制下可根據(jù)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(xiàn)4路復(fù)合視頻信號(hào)的驅(qū)動(dòng)功能，為電視機(jī)提供聲音和視頻圖像信號(hào)。
    網(wǎng)絡(luò)輸入／輸出接口：接入網(wǎng)絡(luò)，提供網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)，采用芯片RTL8019AS，全雙工，收發(fā)速率可達(dá)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(yīng)功能。
    USB接口：接入優(yōu)盤(pán)，提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能、功能擴(kuò)展預(yù)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(guī)范。
    RS485接口：接入多功能集中／遠(yuǎn)傳自動(dòng)抄表系統(tǒng)，可直接與數(shù)據(jù)采集器相連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)4路基表輸出的脈沖信號(hào)實(shí)時(shí)采集、自動(dòng)處理和數(shù)據(jù)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(cè)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(tǒng)的信號(hào)，為系統(tǒng)報(bào)警提供依據(jù)；輸出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)家電控制、聲光控制和報(bào)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(yù)設(shè)電話(huà)報(bào)警，亦可直接與110聯(lián)網(wǎng)報(bào)警。采用MT8888負(fù)責(zé)DTMF信號(hào)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(xiàn)方案
    VG2是ADChips公司推出的一款內(nèi)嵌32位微處理器的多媒體處理器，集數(shù)據(jù)、視頻、音頻處理為一身。內(nèi)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(shè)。
    家居控制器的主要功能單元包括：視頻疊加、數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)、市活控制和抄表系統(tǒng)。其中，抄表系統(tǒng)采用“多用途集中遠(yuǎn)傳抄表系統(tǒng)”，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(shè)計(jì)。
2．1 視頻疊加單元
    視頻疊加單元實(shí)現(xiàn)圖形文字與視頻信號(hào)的疊加(如操作提示信息與電視信號(hào)的疊加等)。主控芯片VG2對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RGB信號(hào)輸出；同時(shí)帶有行、場(chǎng)等各種同步信號(hào)，為視頻疊加電路提供圖像RGB信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)與外部視頻信號(hào)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(xiàn)視頻疊加和編碼。TBl238是基于I2C總線(xiàn)的彩色電視信號(hào)處理芯片，可以實(shí)現(xiàn)外部視頻信號(hào)解碼、同步提取、三基色信號(hào)疊加等功能；片內(nèi)含有視頻與色度信號(hào)處理以及掃描小信號(hào)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(xiàn)PAL/NTSC制信號(hào)的解碼，輸出R、G、B三基色信號(hào)。視頻系統(tǒng)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(diào)節(jié)器、脈沖產(chǎn)生器、標(biāo)準(zhǔn)儀、內(nèi)嵌的色度BPF(帶通濾波器)和亮度延遲線(xiàn)、使用S-VHS系統(tǒng)的Y／X輸出。
    視頻疊加采用復(fù)合視頻信號(hào)彩色解碼后疊加法。外部視頻信號(hào)由TBl238解碼為RGB三基色信號(hào)，與VG2輸出的RGB信號(hào)分別疊加；得到疊加后的RGB信號(hào)，再由KA2198進(jìn)行視頻編碼，輸出含有疊加圖形的復(fù)合視頻信號(hào)。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(jī)中間，平時(shí)不影響電話(huà)正常使用。它由外圍摘掛機(jī)控制電路、振鈴檢測(cè)電路、DTMF收發(fā)電路、語(yǔ)音錄放電路等構(gòu)成。
    采用MT8888為核心，接收和發(fā)送DTMF全部16個(gè)信號(hào)。MT8888發(fā)送部分采用信號(hào)失真小、頻率穩(wěn)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(hào)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(diào)整雙音頻模式的占空比，能自動(dòng)抑制撥號(hào)音和調(diào)整信號(hào)增益，帶有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)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(xiàn)通過(guò)DTMF收發(fā)電路撥出電話(huà)號(hào)碼進(jìn)行電話(huà)通告和報(bào)警，以及接收遠(yuǎn)端的用戶(hù)指令對(duì)家庭設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的操作。
    選用的數(shù)字語(yǔ)音芯片為ISDl420，具有先進(jìn)的模擬／數(shù)字語(yǔ)音存儲(chǔ)技術(shù)，音質(zhì)好，無(wú)需A／D轉(zhuǎn)換，可錄制20 s的語(yǔ)音信息，可分段存儲(chǔ)信息，地址總線(xiàn)與單片機(jī)接口；零功率信息存儲(chǔ)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(nèi)容，錄放次數(shù)達(dá)10萬(wàn)以上。
    在本系統(tǒng)中，ISD1420用于存儲(chǔ)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(jī)后的系統(tǒng)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(dāng)接收到報(bào)警信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)查詢(xún)系統(tǒng)參數(shù)，決定是否報(bào)警，采用何種方式報(bào)警(可以自動(dòng)撥出用戶(hù)設(shè)置的報(bào)警電話(huà)，向用戶(hù)提供語(yǔ)音報(bào)警和現(xiàn)場(chǎng)聲響；也可通過(guò)電話(huà)指令啟動(dòng)警號(hào)和其他執(zhí)行機(jī)構(gòu))，并決定主機(jī)進(jìn)入布防還是撤防狀態(tài)。
    摘掛機(jī)電路通過(guò)控制一個(gè)電流源的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。在掛機(jī)狀態(tài)下，電路上的電流可以忽略不計(jì)；摘機(jī)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(cè)出振鈴信號(hào)。
    當(dāng)有電話(huà)呼入時(shí)，在響鈴達(dá)到毆定次數(shù)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(hào)音、回鈴音、忙音等信號(hào)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(jù)不同信號(hào)的計(jì)數(shù)值不同進(jìn)行區(qū)分，可實(shí)現(xiàn)撥號(hào)音、忙音、回鈴音的檢測(cè)。市話(huà)控制單元結(jié)構(gòu)如同3所示。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(guī)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(cè)輸入端和電源轉(zhuǎn)換控制輸出端；上行端口有自己的VBUS檢測(cè)輸入端。內(nèi)建4 KB的FIFO緩存RAM供HC使用，2 462字節(jié)的FIFO緩存RAM供DC使用。在ISP116lAl作為USB主機(jī)時(shí)，根據(jù)硬件資源的分配，其數(shù)據(jù)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(diào)工作的時(shí)序要求。
    RTL8019AS網(wǎng)絡(luò)接口芯片具有16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)和24位地址總線(xiàn)，具有曼徹斯特編碼、沖突檢測(cè)和重發(fā)的功能；可以與很少的外圍電路一起完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，全雙工，收發(fā)速率可同時(shí)達(dá)到10Mbps；內(nèi)置16KB的SRAM用于數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)圖。RTL8019AS工作在跳線(xiàn)方式下，IOS3～I(xiàn)OSO為低電平，設(shè)置其I/O基地址為Ox300，RTL8019AS只對(duì)地址為0x300～0x31F的信號(hào)產(chǎn)生響應(yīng)；IRQS2～I(xiàn)RQS0為低電平，INT0被選中作為中斷請(qǐng)求的輸出，PLl、PLO為低電平．設(shè)置具有自動(dòng)檢測(cè)接口類(lèi)型的功能。

3 軟件設(shè)計(jì)
    本文采用μC／OS-II(v2．51)嵌入式操作系統(tǒng)作為家居控制器的軟件平臺(tái)。μC/OS-II是一個(gè)占先式多任務(wù)操作系統(tǒng)，可固化、可裁剪，易于移植，具有良好的可靠性和穩(wěn)定性；支持多達(dá)64個(gè)任務(wù)，以及信號(hào)量、消息郵箱、消息隊(duì)列等多種進(jìn)程問(wèn)通信機(jī)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信和USR數(shù)據(jù)傳輸。
3．1 μC／OS-II在VG2上的移植
    采用Cygwin作為編譯平臺(tái)的EISC STUDIO集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，用戶(hù)可以在C程序中插入?yún)R編語(yǔ)言(可擴(kuò)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(shù)在OS_CPU_C．C中實(shí)現(xiàn)。堆棧的增長(zhǎng)方向?yàn)橄蛳?，入口寬度?2位。初始化后數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(xiàn)實(shí)例如下(限于篇幅，其他函數(shù)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(tǒng)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(xiàn)與操作系統(tǒng)相關(guān)的結(jié)構(gòu)和函數(shù)；
    ◇實(shí)現(xiàn)lib_arch中的庫(kù)函數(shù)；
    ◇實(shí)現(xiàn)RTL8019As驅(qū)動(dòng)程序。
    RTL8019AS與Ne2k芯片兼容，可參照ethernetif.c網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)模板實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。
3.3 USB主機(jī)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
    USB主機(jī)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要是核心驅(qū)動(dòng)程序(USBD)和主控制器驅(qū)動(dòng)程序(HCD)的實(shí)現(xiàn)。HCD是協(xié)議棧最底層對(duì)主機(jī)控制器硬件和數(shù)據(jù)傳輸?shù)某橄螅蛏蠟閁SBD提供一個(gè)軟件接口(HCDI)，向下管理和檢測(cè)主機(jī)控制器硬件的行為。USBD是USB體系的中樞，用于檢測(cè)和管理USB系統(tǒng)的所有活動(dòng)，向上接收USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和用戶(hù)程序的各種命令和數(shù)據(jù)，向下把處理好的各種數(shù)據(jù)發(fā)送給HCD，并最終與設(shè)備進(jìn)行通信。主機(jī)要支持設(shè)備類(lèi)，就要建立特定的設(shè)備類(lèi)協(xié)議，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了USB Mass Storage類(lèi)，移植了ZLG／FS文件系統(tǒng)。
3．4 智能家居控制器的軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)采用模塊化、與內(nèi)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(yīng)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(dú)立又相互聯(lián)系，它們的有機(jī)組合為用戶(hù)提供相應(yīng)的功能。按照軟件所屬層次可劃分為3層：內(nèi)層是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核；中間件層主要是芯片的驅(qū)動(dòng)和通信協(xié)議的移植；外層是應(yīng)用層，為用戶(hù)提供具體的功能應(yīng)用。系統(tǒng)復(fù)位后，主程序首先對(duì)進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)行初始化，獲取系統(tǒng)狀態(tài)信息。VG2自帶看門(mén)狗設(shè)置，在程序正常執(zhí)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(jié)
    智能家居控制器是家庭內(nèi)外信息交換和家電控制平臺(tái)。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(yīng)用保證了大數(shù)據(jù)量傳輸和存儲(chǔ)的穩(wěn)定性以及功能的可擴(kuò)展性，兼顧了傳統(tǒng)電話(huà)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制方式。智能家居控制器操作簡(jiǎn)單，使用方便，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。