基于MB90F462的智能家居数据采集卡设计

1系统结构及功能概述

    根据智能家居系统在线设备比较多的特点和方便控制的需求，数据采集卡应具有足够的输入、输出接口和远程通信功能。基于MB90F462的数据采集卡的系统结构如图1所示。系统按功能可分为以下几个模块：8路模拟量输入；8路数字量输入；GSM短信数据传输；RS-232、RS-485通信；GPRS数据传输；实时时钟；状态指示；EEPROM数据存储。

2 主要功能模块的设计

2．1信号输入模块

    在智能家居系统中，需要采集的数据信息包括空气温度、湿度、灯光的调节和水、电、煤气、烟、火等报警信息，按照信号的性质可分为模拟量数据和数字量数据两类。该数据采集卡可支持的输入电平有5V、3．3V、RS-232和RS-485接口。

    MB90F462带有8路8／10位精度可选的A／D通道，可供输入8路传感器的模拟量信号。对于温度、湿度、灯光、水流量等信息，可通过相应的传感器将设备的实时数据通过A／D通道采集到管理中心。由于该系统数据量不大，软件设计采用查询的方式来检查各路A／D的采样完成标志，并读入数据至管理中心的计算机中。A／D采样需要设置的寄存器包括：ADER、ADCS1、ADCS0、ADCR1和ADCR0。A／D转换共有四种可选模式：单步转换模式1(运行时允许重复激活)、单步转换模式2(运行时不允许重复激活)、连续转换模式(运行时不允许重复激活)、停止转换模式(运行时不允许重复激活)。

    对于设备的报警信息和一些特殊的开关量，利用MB90F462的8路外部中断对数字量输入信号进行触发或脉冲计数。由于外部中断和GPIO管脚是复用的，所以使用外部中断时必须设置相应的管脚为输入。每两个外部中断共用一个中断控制寄存器，使用外部中断时需要设置的寄存器有ICRXX、ENIR、ELVR 和EIRR。中断信号的触发信号电平可以为高电平、低电平、上升沿或下降沿。使用外部中断之前和中断处理完成后要清除标志位。

2．2短消息通信模块

    为了更方便地服务于用户，智能家居系统采用GSM短消息(SMS)服务来实现远程报警和遥控功能，用户通过个人移动电话即可监测家用设备的实时状态和报警信息，同时还可通过发送短消息远程控制某个设备的开关。SIEMENS公司的GSM无线模块TC35具有可靠的数据、语音、短消息服务和传真四种数据传输功能。该模块的工作电压为3．3～5．5v，可以工作在900MHz和1800MHz两个频段，所在频段功耗分别为2W(900MHz)和 1W(1800MHz)。TC35的数据接口采用串行异步收发，符合ITU-T RS-232接口电路标准，工作在CMOS电平。数据接口配置：8位数据位、1位停止位、无校验位，可以在300bps～115Kbps的波特率下运行，支持的自动波特率为4．8～115Kbps(14．4Kbps和28．8Kbps除外)[2]。

    在进行短信通信之前，通过在／IGT管脚输出一电压下降沿激活GSM模块，待模块稳定之后，设置短信服务中心号码和数据格式，并进行短信收发、删除、查询等操作。GSM的短消息程序设计流程如图2所示，用于SMS通信的AT指令如表1所示。

2．3 GPRS通信模块

    与传统的GSM相比，GPRS通信的特点是终端可移动、接入时间短、传输速度快、按流量计费、可接入Internet网、时时在线[2]等。GPRS网络使用TCP／IP协议栈进行组网，可以实现与Internet网络的无缝连接，但是在传输时数据格式应该符合TCP／IP协议栈的数据包格式。GPRS网络为实现点对点通讯，在数据链路层上使用PPP协议，物理层上使用串口通信。因此，实现基于GPRS的数据传输系统时需要对数据进行打包，并需要在数据链路层上实现PPP协议[3]。基于TCP/IP专用模块的GPRS远程数据传输的流程如图3所示。

     基于TCP／IP专用模块的移动终端主要由数据获取模块(数据采集卡)、数据打包模块和数据发送模块组成。数据打包模块采用ConnectOne公司生产的Iconnector模块，数据发送模块采用SIEMENS公司生产的具有GPRS功能的GSM手机模块MC35。在Iconnector内部的 Flash中存储有Internet协议栈，支持PPP、IP、UDP、TCP、DNS、SMTP、POP3、HTTP、FTP、Telnet等几乎所有的网络协议。通过AT+i指令设置并控制Iconnector，以实现数据的打包。Iconnector有两个标准的RS-232串行接口，在标有 Modem字样的一端与MC35相连接，在另外标有Device字样的一端与数据采集卡相连接。用于GPRS数据传输的AT+i指令如表2所示。

2．4实时时钟模块

    为了合理有效地管理各个用户的数据，特别是一些报警数据，应该记录其出现的实时时间。该数据采集卡采用了美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片DS1302，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能；DS1302与CPU同步串行通讯，接口只需三根线：／RST、I／O、SCLK；一次可以读写1个字节数据或31个字节的字符串；共有七个数据寄存器，即秒、分钟、小时、日期、月份、周和年份寄存器；命令字的地址从80H～8DH，奇数为读，偶数为写；一个时钟周期由下降沿开始，上升沿结束；写入数据时，在时钟的上升沿期间数据必须保持有效，读出数据时，在时钟的下降沿期间数据有效；如果，RST输入低电平，中止所有的数据传输并且I／O呈高阻态；数据输入/输出的时序是首先写入一个字节的命令字节(读或写)，后面紧跟8个时钟周期读出／写入一个字节的数据。

    虽然DS1302的功耗很小，但是如果要长时间保证时钟正常，最好选用小型充电电池或0．1F以上的超级电容作为备用电源。如果断电时间较短，可以用漏电较小的普通电解电容器代替。DS1302在第一次加电后必须进行初始化操作，之后即可按正常方法调整时间。

    此外，系统还配置了RS-232、RS-485接口和EEPROM数据存储器，方便与其他设备的连接，并实现掉电数据保护功能。

3 Accemic MDE调试

    Accemic MDE是目前市场上能够调试Fujitsu 16LX系列不带仿真器的单片机的首选工具，其监控内核与应用程序是并行运行的，所以了解其监控内核的工作方式非常重要。使用Accemic MDE进行调试应严格按照如下步骤进行：

(1)在启动Accemic之前按以下步骤连接硬件(勿接电源)

(a)将MB90F462置为编程状态，即MD0、MD1、MD2、P00、P01分别设为ON(=0)、OFF(=1)、OFF、ON、ON。

(b)用串行电缆连接目标板的Bootloader-UART和PC机的COM端口，(对于MB90460系列，UART0为Bootloader-UART)。

(c)给目标板加电。

(2)启动Accemic调试环境

(a)打开preference│systerm菜单，设置CPU类型、封装形式、工作时钟、倍频数、通讯波特率、复位线路和COM端口号等。

(b)按下"Download Monitor"按钮导入监控内核；

(c)使目标系统处于复位状态，将单片机切换到工作

状态，即MD0、MD1、MD2、P00、P01分别设为OFF、OFF、ON、X、X。

(d)退出复位状态，此时可以通过监控内核访问目标系统。

(e)按下"Connect"按钮开始连接调试。

(3)Aecemic MDE调试注意事项

(a) 调试前将位于Accemic MDE的安装目录C：＼programs＼AccemicMDEinclude下的文件"monitor．asm"添加到用户工程中；如果要使用目标信息功能，要在应用程序中包含"monitor．h"文件(与monitor．asm在同一目录下)。

(b)如果Bootloader-UART未使用外部时钟，不要使用改变PLL时钟寄存器的功能。PLL时钟可以通过"start．asm"中的设置来修正，确保其中CLOCKSPEED的设置为NOCLOCK。

(c)调试时不能改变Bootloader-UART中断级别及Bootloader-UART的寄存器设置，注意在文件"vectors．c"中不要覆盖Bootloader-UART的中断级别。

(d)如果要使用看门狗定时器，需要开启Accemic MDE的看门狗定时器自动更新功能，即在程序中调用acc_WatchdogEnable()函数。

(e)调试中为了让Monitor能够进入中断服务程序中的断点，必须满足两个条件：一是在程序中允许中断，即调用_EI()函数；二是中断服务程序的中断级别高于7(因为Bootloader-UART的中断级别是7)。

(f)MB90F462带有两个UART，其中UART0是BootloaderUart，用于在线调试和烧录程序，也可以和用户程序复用。复用时需要调用Accemic MDE中定义的函数acc_KernelUART(1)，参数默认值为1，表示UART0用作正常的用户程序通信；参数默认值为0，表示UART0用作调试接口，用户程序中没有用到UART0时不需要调用此函数。

    综上所述，该数据采集卡提供8路模拟量输入及8路开关量输入接口，具备两路RS-232接口，支持RS-485、RS-232、3．3V、5V等多种输入电平，可以实现现场数据采集和远程传输，远程通讯及传输方式有GPRS和SMS；而且可以对现场设备实行远程开关量控制。该数据采集卡传输与协议转换透明化，使用方便、可靠，而且配备系统配置和维护接口，方便现场维护，可普遍应用于远程监控、远程仪表数据读取等场合。