单片机模拟信息家电设计方案

1 引言

　　目前的信息家电还处在初级阶段，信息家电的标准还未确定，对其的研究也还未有突破性的进展。另外，随着以PC为中心拓展出来的各种家庭数字产品开始浮出水面，在未来的数字家庭中，PC作为家庭应用的控制中心的地位将越来越受到重视。

　　本文利用SX52单片机和外围扩展模块模拟信息家电，利用PC模拟家庭网关，从而成功搭建了一个模拟家庭网关和信息家电交互的平台。这种利用一个单片机集成系统对信息家电进行模拟为研究信息家电的内部体系结构以及家庭网关和信息家电功能分配提供了实验平台，同时大大节省了资源和费用。

创新点：本文描述了利用SX52为主芯片，通过扩展外围电路和软件模块模拟信息家电的通用方法，并以模拟电风扇做了具体实现，为后续对信息家电和家庭网关的研究提供了基础实验平台。

　　2 信息家电

　　信息家电是所有能够通过网络系统交互信息的家电产品，也就是说信息家电是将数字技术和网络技术集成在电冰箱、洗衣机等传统家用电器上并以此为基础建立家庭网络环境，信息家电具有以下特点：

　　（1）相互之间通过有线或无线方式相连，能相互识别并协同工作与网络化；

　　（2）能够遵循一定的协议，通过家庭网关或直接与外部网络进行信息交互；

　　（3）与用户双向交流，功能单一集中并且便于学习，使用简单；

　　（4）信息家电应该具有实时化，数字化与智能化的特点；

　　（5）应用嵌入式操作系统。其内部体系结构可用下图表示：

　　其中虚框显示的嵌入式操作系统层，在今后随着信息家电产品功能的增多增强，使用嵌入式操作系统是一种必然趋势，本文在单片机上实现模拟系统就没有采用嵌入式操作系统，这样极大地节省了资源和费用。

　　3 家庭网络与家庭网关

　　家庭网络借助现有的计算机网络技术，将家庭内各种家电和设备连网，通过网络为人们提供各种丰富、多样化、个性化、方便、舒适、安全和高效的服务。实现家庭网络与外部信息的交换需要设计一个理想的家庭网关。家庭网关是一种简单的、智能的、标准化的、灵活的整个家庭网络接口单元，它可以从不同的外部网络接收通讯信号，通过家庭网络传递信号给某个消费设备。家庭网关应具备的两个主要功能是：（1）作为家庭内部网络和外部网络连接的一种物理接口；（2）使住宅用户可以获得各种家庭服务的平台。

　　家庭网关接口的有效的解决方案，当前比较统一的观点是开发一个集中式网关，它将提供一个最有效的桥接外部网络和家庭网络或设备的解决方案。

　　4 嵌入式Web服务器

　　嵌入式Web服务器（EmbeddedWebServer,EWS）是指将Web服务器引入到现场测试和控制设备中，在相应的硬件平台和软件系统的支持下，使传统的测试和控制设备转变为具备了以TCP/IP为底层通信协议，Web技术为核心的基于互联网的网络测试和控制设备。EWS系统与传统的Web应用相比，简化了系统结构，将信息采集和信息发布都集成到现场的测控设备中。由于有了标准的接口形式和通信协议，内嵌于设备的Web服务器可以向任何接入它所在网络的合法用户提供统一的基于浏览器方式的操作和控制界面，浏览器成了设备的前端控制板。由于Web技术的开放性和独立平台特性，大大降低了软件系统和通信系统的设计、维护工作量，节省了人员培训费用等，提高了现场测试和控制设备的管理水平。

　　5 硬件选型

　　5.1 SX52的优势

　　用单片机实现嵌入式互联网方案的技术难点是：如何利用单片机本身有限的资源对信息进行TCP/IP协议处理，使之变成可以在互联网上传输的IP数据包。目前解决这个问题有两种方案：一种是PC网关+专用网，缺点是要增加布线和第三方协议转换软件；另一种是32位MCU+RTOS,弊端是开发难，成本极高。而用软件方法实现网络协议比采用集成网络协议的芯片，具有节省空间、降低成本的优点，更重要的是可以随意配置甚至修改各种协议，且能通过软件升级方式跟随未来的发展。

　　通过美国Ubicom公司的SX52微控器进行网络控制更具其独特优势，主要体现在：

　　（1）速度快，在100MHz频率下能达到100MIPS;

　　（2）现成的网络协议模块供套用，可以通过虚拟外设功能来运行网络协议栈，例如TCP、IP、HTTP以及SMTP等；

　　（3）强大的虚拟外设功能，即通过软件对I/O口进行灵活的配置，CPU执行虚拟软件模块就可以驱动普通的I/O口来模拟外设的功能，比如UART、SPI、IIC和FSK等。采用其成功的网络协议模块和一些适用于小型嵌入系统的做法构筑现场控制Web服务器是最明智的做法。

　　5.2 SX52主要模块功能特点

　　5.2.1 CPU模块（包括在线下载ISP电路）

　　此模块实现开发系统板的系统控制，并实现网络接口控制，主要包含SX52BD、24C256。

　　SX52BD开发系统板主CPU,它是UBICOM公司生产的一款RISC指令集的高速8位单片机，片上带有4K×16位的Flash存储器和262×8位的RAM。由于采用CPU并行流水线方式及单时钟周期指令，在100MHz晶振驱动下指令执行速度可达100MIPS。这款单片机以其优异的性能，可以广泛应用在需要网络支持的场合，尤其适合于需要网络远程控制或远程监控的应用中。开发系统板所实现的网络协议（IP、ARP、DHCP、UDP、TCP、HTTP、SMTP）就是通过此芯片实现的。

　　EEPROM器件24C256用于存储网页内容，主CPU通过I2C总线访问24C256,其中存储的网页内容通过主CPU的读写操作可以实现网页的浏览、重新下载和更新。

　　5.2.2 网络接口模块

　　此模块实现了两种网络接口方式：以太网接口和调制解调器接口，主要包含RTL8019AS、以太网收发滤波器芯片、MAX232等。

　　5.2.3 用户试验区模块

　　主CPU的信号引脚都已经连接到用户试验区的周围，有5组共40条信号线。开发使用人员可以在试验区利用这些信号进行相应的外围电路扩展试验。

　　5.2.4 调试、仿真和下载模块

　　开发系统板上有调试、仿真和下载接口。通过CPU模块中的SIP4针插座（SX-KEY），配接UBICOM公司提供的“SXKEY”

　　仿真头与此插座相连，就可以实现在线式系统的仿真（包括单步、断点等功能）、调试、和程序ISP方式编程下载。

　　6 模拟系统的设计与实现

      6.1 添加外围硬件电路

　　本文选择PC机和SX52作为模拟实现信息家电和家庭网关交互的平台是非常合适的，因为我们利用其用户试验区模块扩展外围模块电路（如电风扇遥控模块）模拟信息家电，以实现通过远程终端（Web浏览器或者专用控制客户端）对信息家电的控制，本文只讨论利用嵌入式Web服务器，通过Web页面的方式实现对家电的远程控制这一方式。在板上添加了电风扇遥控发射电路（主芯片CS5104），由主CPU直接控制，能够实现对电风扇的遥控功能，同时为了了解开发系统遥控效果，还添加了遥控接收电路（主芯片CS8206），可以响应发射电路的遥控信号。还添加了遥控接收端状态LED（12只）用于显示电风扇状态。硬件构成框图如图2所示，本文只给出包含电风扇模块的框图，添加其它模块类似。

6.2 软件的设计与实现

　　通过浏览器的web页面控制信息家电，首先要定义控制协议，让从网关发送过去的信息能够被家电接收解释并能执行正确的操作，系统工作流程如下：

　　（1）开发系统板上电后初始化主芯片及各外围芯片。

　　（2）打开PC机浏览器，输入http://10.1.1.20/index.htm,由浏览器发出的连接嵌入式Web服务器请求经过开发板上的RTL8019AS,再经SX52解释后在其控制下把读取请求发送至存储网页的24C256,24C256根据SX52发送过来的命令取出网页后通过RTL8019AS送至PC的浏览器，即打开远程控制端如图3所示。

　　（3）选择图3中的“速度”再点击“确定”，启动开发板上的电风扇模块，然后根据需要点击前面的选项控制风扇，浏览器就将控制信息通过网线传给RTL8019AS,再经SX52解释转化为控制命令发送给电风扇遥控发射芯片，该芯片发送遥控信号遥控接收电路通过相应的LED显示，从而响应控制请求。最后通过观看控制界面上灯的状态与开发板上相应LED显示是否相符，从而检验模拟系统运行成功与否。

　　由于考虑到单片机的处理能力，定义单个字符传递控制信息不仅可以节省资源，而且可以缩短响应时间，满足更高的实时性要求。以对电风扇模块的模拟为例，通过网页发送给网关的控制协议具体实现如下：用'e'代表关闭，'f'代表定时，'g'代表风速/启动，'h'代表工作模式，'i'代表摇头。每选择一个选项，按“确定”后，就发送一次上面相应字符给信息家电（SX52），后面相应的灯就按已经定义好的规律变亮或是变暗。

　　代码添加和修改，再按以下的步骤完成最后的工作：

　　（1）制作控制页面，实现以上协议，并显示电风扇的控制状态信息，页面外观如图3所示。然后计算该页面的大小，利用SX52特有的哈希函数计算出URI。

　　（2）修改Eth_my3.src源文件中开发板IP地址值，URI值等，裁剪掉DHCP、SMTP等模块，添加电风扇初始化代码、中断代码和协议转化模块。

　　（3）利用汇编/编程器软件SXKey52.exe将文件e2file3ttm1.

　　src下载到开发系统板，然后利用PC上运行的装载程序E2File.

　　exe将网页装载到EEPROM中，再次利用SXKey52.exe将网页服务器程序Eth_my3.src下载到开发系统板，最后打开PC上的浏览器，在地址栏输入http://10.1.1.20/index.htm就可以看见如图3所示的界面，通过该界面可以对开发板上的电风扇硬件电路进行控制。

　　7 小结

　　本文从研究信息家电内部结构和家庭网关出发，选择高性能的8位SX52单片机集成系统并进行软硬件裁剪，成功地利用外围硬件电路和虚拟外围及网络协议软件虚拟模块，搭建了模拟信息家电的平台，为进一步研究家庭网关和信息家电内部结构以及二者之间的功能分配和通信协议打下了坚实的基础。