單片機(jī)模擬信息家電設(shè)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(biāo)準(zhǔn)還未確定，對其的研究也還未有突破性的進(jìn)展。另外，隨著以PC為中心拓展出來的各種家庭數(shù)字產(chǎn)品開始浮出水面，在未來的數(shù)字家庭中，PC作為家庭應(yīng)用的控制中心的地位將越來越受到重視。

　　本文利用SX52單片機(jī)和外圍擴(kuò)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模擬家庭網(wǎng)關(guān)和信息家電交互的平臺。這種利用一個單片機(jī)集成系統(tǒng)對信息家電進(jìn)行模擬為研究信息家電的內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)以及家庭網(wǎng)關(guān)和信息家電功能分配提供了實驗平臺，同時大大節(jié)省了資源和費用。

創(chuàng)新點：本文描述了利用SX52為主芯片，通過擴(kuò)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)扇做了具體實現(xiàn)，為后續(xù)對信息家電和家庭網(wǎng)關(guān)的研究提供了基礎(chǔ)實驗平臺。

　　2 信息家電

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

　?。?）相互之間通過有線或無線方式相連，能相互識別并協(xié)同工作與網(wǎng)絡(luò)化；

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

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

　?。?）信息家電應(yīng)該具有實時化，數(shù)字化與智能化的特點；

　?。?）應(yīng)用嵌入式操作系統(tǒng)。其內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)可用下圖表示：

　　其中虛框顯示的嵌入式操作系統(tǒng)層，在今后隨著信息家電產(chǎn)品功能的增多增強(qiáng)，使用嵌入式操作系統(tǒng)是一種必然趨勢，本文在單片機(jī)上實現(xiàn)模擬系統(tǒng)就沒有采用嵌入式操作系統(tǒng)，這樣極大地節(jié)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(xiàn)有的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將家庭內(nèi)各種家電和設(shè)備連網(wǎng)，通過網(wǎng)絡(luò)為人們提供各種豐富、多樣化、個性化、方便、舒適、安全和高效的服務(wù)。實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)與外部信息的交換需要設(shè)計一個理想的家庭網(wǎng)關(guān)。家庭網(wǎng)關(guān)是一種簡單的、智能的、標(biāo)準(zhǔn)化的、靈活的整個家庭網(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，通過家庭網(wǎng)絡(luò)傳遞信號給某個消費設(shè)備。家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)具備的兩個主要功能是：（1）作為家庭內(nèi)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(dāng)前比較統(tǒng)一的觀點是開發(fā)一個集中式網(wǎng)關(guān)，它將提供一個最有效的橋接外部網(wǎng)絡(luò)和家庭網(wǎng)絡(luò)或設(shè)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(xiàn)場測試和控制設(shè)備中，在相應(yīng)的硬件平臺和軟件系統(tǒng)的支持下，使傳統(tǒng)的測試和控制設(shè)備轉(zhuǎn)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(shè)備。EWS系統(tǒng)與傳統(tǒng)的Web應(yīng)用相比，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將信息采集和信息發(fā)布都集成到現(xiàn)場的測控設(shè)備中。由于有了標(biāo)準(zhǔn)的接口形式和通信協(xié)議，內(nèi)嵌于設(shè)備的Web服務(wù)器可以向任何接入它所在網(wǎng)絡(luò)的合法用戶提供統(tǒng)一的基于瀏覽器方式的操作和控制界面，瀏覽器成了設(shè)備的前端控制板。由于Web技術(shù)的開放性和獨立平臺特性，大大降低了軟件系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的設(shè)計、維護(hù)工作量，節(jié)省了人員培訓(xùn)費用等，提高了現(xiàn)場測試和控制設(shè)備的管理水平。

　　5 硬件選型

　　5.1 SX52的優(yōu)勢

　　用單片機(jī)實現(xiàn)嵌入式互聯(lián)網(wǎng)方案的技術(shù)難點是：如何利用單片機(jī)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?shù)腎P數(shù)據(jù)包。目前解決這個問題有兩種方案：一種是PC網(wǎng)關(guān)+專用網(wǎng)，缺點是要增加布線和第三方協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件；另一種是32位MCU+RTOS,弊端是開發(fā)難，成本極高。而用軟件方法實現(xiàn)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(jié)省空間、降低成本的優(yōu)點，更重要的是可以隨意配置甚至修改各種協(xié)議，且能通過軟件升級方式跟隨未來的發(fā)展。

　　通過美國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(xiàn)在：

　?。?）速度快，在100MHz頻率下能達(dá)到100MIPS;

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

　?。?）強(qiáng)大的虛擬外設(shè)功能，即通過軟件對I/O口進(jìn)行靈活的配置，CPU執(zhí)行虛擬軟件模塊就可以驅(qū)動普通的I/O口來模擬外設(shè)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(tǒng)的做法構(gòu)筑現(xiàn)場控制Web服務(wù)器是最明智的做法。

　　5.2 SX52主要模塊功能特點

　　5.2.1 CPU模塊（包括在線下載ISP電路）

　　此模塊實現(xiàn)開發(fā)系統(tǒng)板的系統(tǒng)控制，并實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口控制，主要包含SX52BD、24C256。

　　SX52BD開發(fā)系統(tǒng)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(jī)，片上帶有4K×16位的Flash存儲器和262×8位的RAM。由于采用CPU并行流水線方式及單時鐘周期指令，在100MHz晶振驅(qū)動下指令執(zhí)行速度可達(dá)100MIPS。這款單片機(jī)以其優(yōu)異的性能，可以廣泛應(yīng)用在需要網(wǎng)絡(luò)支持的場合，尤其適合于需要網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制或遠(yuǎn)程監(jiān)控的應(yīng)用中。開發(fā)系統(tǒng)板所實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（IP、ARP、DHCP、UDP、TCP、HTTP、SMTP）就是通過此芯片實現(xiàn)的。

　　EEPROM器件24C256用于存儲網(wǎng)頁內(nèi)容，主CPU通過I2C總線訪問24C256,其中存儲的網(wǎng)頁內(nèi)容通過主CPU的讀寫操作可以實現(xiàn)網(wǎng)頁的瀏覽、重新下載和更新。

　　5.2.2 網(wǎng)絡(luò)接口模塊

　　此模塊實現(xiàn)了兩種網(wǎng)絡(luò)接口方式：以太網(wǎng)接口和調(diào)制解調(diào)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 用戶試驗區(qū)模塊

　　主CPU的信號引腳都已經(jīng)連接到用戶試驗區(qū)的周圍，有5組共40條信號線。開發(fā)使用人員可以在試驗區(qū)利用這些信號進(jìn)行相應(yīng)的外圍電路擴(kuò)展試驗。

　　5.2.4 調(diào)試、仿真和下載模塊

　　開發(fā)系統(tǒng)板上有調(diào)試、仿真和下載接口。通過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，就可以實現(xiàn)在線式系統(tǒng)的仿真（包括單步、斷點等功能）、調(diào)試、和程序ISP方式編程下載。

　　6 模擬系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

      6.1 添加外圍硬件電路

　　本文選擇PC機(jī)和SX52作為模擬實現(xiàn)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試驗區(qū)模塊擴(kuò)展外圍模塊電路（如電風(fēng)扇遙控模塊）模擬信息家電，以實現(xiàn)通過遠(yuǎn)程終端（Web瀏覽器或者專用控制客戶端）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Web頁面的方式實現(xiàn)對家電的遠(yuǎn)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?qū)崿F(xiàn)對電風(fēng)扇的遙控功能，同時為了了解開發(fā)系統(tǒng)遙控效果，還添加了遙控接收電路（主芯片CS8206），可以響應(yīng)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(gòu)成框圖如圖2所示，本文只給出包含電風(fēng)扇模塊的框圖，添加其它模塊類似。

　　 6.2 軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

　　通過瀏覽器的web頁面控制信息家電，首先要定義控制協(xié)議，讓從網(wǎng)關(guān)發(fā)送過去的信息能夠被家電接收解釋并能執(zhí)行正確的操作，系統(tǒng)工作流程如下：

　?。?）開發(fā)系統(tǒng)板上電后初始化主芯片及各外圍芯片。

　?。?）打開PC機(jī)瀏覽器，輸入http://10.1.1.20/index.htm,由瀏覽器發(fā)出的連接嵌入式Web服務(wù)器請求經(jīng)過開發(fā)板上的RTL8019AS,再經(jīng)SX52解釋后在其控制下把讀取請求發(fā)送至存儲網(wǎng)頁的24C256,24C256根據(jù)SX52發(fā)送過來的命令取出網(wǎng)頁后通過RTL8019AS送至PC的瀏覽器，即打開遠(yuǎn)程控制端如圖3所示。

　?。?）選擇圖3中的“速度”再點擊“確定”，啟動開發(fā)板上的電風(fēng)扇模塊，然后根據(jù)需要點擊前面的選項控制風(fēng)扇，瀏覽器就將控制信息通過網(wǎng)線傳給RTL8019AS,再經(jīng)SX52解釋轉(zhuǎn)化為控制命令發(fā)送給電風(fēng)扇遙控發(fā)射芯片，該芯片發(fā)送遙控信號遙控接收電路通過相應(yīng)的LED顯示，從而響應(yīng)控制請求。最后通過觀看控制界面上燈的狀態(tài)與開發(fā)板上相應(yīng)LED顯示是否相符，從而檢驗?zāi)M系統(tǒng)運行成功與否。

　　由于考慮到單片機(jī)的處理能力，定義單個字符傳遞控制信息不僅可以節(jié)省資源，而且可以縮短響應(yīng)時間，滿足更高的實時性要求。以對電風(fēng)扇模塊的模擬為例，通過網(wǎng)頁發(fā)送給網(wǎng)關(guān)的控制協(xié)議具體實現(xiàn)如下：用'e'代表關(guān)閉，'f'代表定時，'g'代表風(fēng)速/啟動，'h'代表工作模式，'i'代表搖頭。每選擇一個選項，按“確定”后，就發(fā)送一次上面相應(yīng)字符給信息家電（SX52），后面相應(yīng)的燈就按已經(jīng)定義好的規(guī)律變亮或是變暗。

　　代碼添加和修改，再按以下的步驟完成最后的工作：

　　（1）制作控制頁面，實現(xiàn)以上協(xié)議，并顯示電風(fēng)扇的控制狀態(tài)信息，頁面外觀如圖3所示。然后計算該頁面的大小，利用SX52特有的哈希函數(shù)計算出URI。

　?。?）修改Eth_my3.src源文件中開發(fā)板IP地址值，URI值等，裁剪掉DHCP、SMTP等模塊，添加電風(fēng)扇初始化代碼、中斷代碼和協(xié)議轉(zhuǎn)化模塊。

　?。?）利用匯編/編程器軟件SXKey52.exe將文件e2file3ttm1.

　　src下載到開發(fā)系統(tǒng)板，然后利用PC上運行的裝載程序E2File.

　　exe將網(wǎng)頁裝載到EEPROM中，再次利用SXKey52.exe將網(wǎng)頁服務(wù)器程序Eth_my3.src下載到開發(fā)系統(tǒng)板，最后打開PC上的瀏覽器，在地址欄輸入http://10.1.1.20/index.htm就可以看見如圖3所示的界面，通過該界面可以對開發(fā)板上的電風(fēng)扇硬件電路進(jìn)行控制。

　　7 小結(jié)

　　本文從研究信息家電內(nèi)部結(jié)構(gòu)和家庭網(wǎng)關(guān)出發(fā)，選擇高性能的8位SX52單片機(jī)集成系統(tǒng)并進(jìn)行軟硬件裁剪，成功地利用外圍硬件電路和虛擬外圍及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件虛擬模塊，搭建了模擬信息家電的平臺，為進(jìn)一步研究家庭網(wǎng)關(guān)和信息家電內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及二者之間的功能分配和通信協(xié)議打下了堅實的基礎(chǔ)。