E5122的家庭網絡控制系統(tǒng)

關鍵詞：以太網；控制系統(tǒng)；RTL8019AS；E5122

１　系統(tǒng)簡介

家庭智能控制系統(tǒng)的開發(fā)主要基于短信息技術、自動控制技術、計算機技術、數(shù)字通信技術及加密技術。該系統(tǒng)利用相關的網絡、計算機系統(tǒng)和控制器，以無線網絡和有線網絡為基本控制指令和數(shù)據(jù)信息傳送方式來實現(xiàn)手機無線遙控和數(shù)據(jù)傳送，并通過專設的短信控制中心和服務中心，來為家庭和小區(qū)管理提供全方位的數(shù)字化服務。家庭智能控制系統(tǒng)具有手機遠程控制、自動報警、呼叫社區(qū)服務、物業(yè)管理等功能。還可以根據(jù)用戶群的需要向生活聯(lián)網服務、智能辦公等方向無限擴展。

一般情況下，只要將設備接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ／Ｉｎｔｒａｎｅｔ網，原則上只要實現(xiàn)ＴＣＰ／ＩＰ網絡協(xié)議就可以了。ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議及其應用是一項復雜的系統(tǒng)工程。該協(xié)議的建立要經過縝密的設計過程，全套協(xié)議實現(xiàn)起來比較復雜。在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)該協(xié)議有一定的難度。在實際應用中，如果要完全實現(xiàn)該協(xié)議，比較合理的方案是直接利用集成的ＴＣＰ／ｌＰ協(xié)議芯片將系統(tǒng)中央控制單元和ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議處理單元進行分離。

另一方面，也可以對原有的ＴＣＰ／ＩＰ進行精簡，而只保留實際應用系統(tǒng)所需要的一些協(xié)議，從而使核心芯片既能實現(xiàn)網絡的數(shù)據(jù)傳輸任務，又可完成對任務的監(jiān)控。因為，對原有的ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議進行精簡可大大減輕系統(tǒng)實現(xiàn)的難度，同時也可以提高系統(tǒng)的效率和可靠性。

圖1

２　系統(tǒng)工作原理

圖１所示是一個基于Ｅ５１２２網絡協(xié)議處理器的家庭網絡控制系統(tǒng)的原理框圖。圖中，以家庭中的三表數(shù)據(jù)作為采集信號，并將其通過采樣保持電路處理以后送入單片機，然后由單片機把數(shù)據(jù)通過串口送入Ｅ５１２２網絡協(xié)議處理器中進行打包處理，以將數(shù)據(jù)打包成ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議包，最后再把該數(shù)據(jù)包通過ＲＴＬ８０１９ＡＳ以太網控制器發(fā)送到以太網上。本系統(tǒng)采用ＣＰＬＤ芯片ＥＰＭ７１２８Ｓ作為譯碼和驅動電路。由于家庭用戶終端一般對數(shù)據(jù)交換的速率要求不高（在１ＭＢ／ｓ以下），所以可采用一般高速單片機來寫入ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議，這樣既可滿足功能要求，又能降低成本，用戶也容易接受這樣的價格。

３　ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議解析芯片Ｅ５１２２

Ｅ５１２２是上海精致科技公司研制的飛虹系列網絡協(xié)議處理器。其外部晶振頻率為２２．１１８４ＭＨｚ，工作電壓為５Ｖ。可為硬件實現(xiàn)ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議提供ＡＰＩ接口，并可以Ｉ２Ｃ協(xié)議或ＲＳ－２３２接口方式與用戶端進行通信，其通信接口支持帶Ｉ２Ｃ接口的ＭＰＵ，同時還為不帶Ｉ２Ｃ接口的ＭＰＵ提供Ｉ２Ｃ驅動程序。 Ｅ５１２２與網絡的接口為以太網接口，可通過以太網控制芯片ＲＴＬ８０１９連接到以太網。其串行速率最大可達１１５．２ｋｂｐｓ，并可實現(xiàn)真正實時傳送。

Ｅ５１２２ 是完成ＴＣＰ／ＩＰ 協(xié)議的專用芯片，可用以實現(xiàn)以太網和串口之間的協(xié)議轉換，該器件只需外接ＭＣＵ就可為串口設備提供完善的網絡通信解決方案。本系統(tǒng)采用的ＭＰＵ為８９Ｃ５２單片機，而且只需在單片機程序中簡單調用ＡＰＩ函數(shù)即可。圖２所示是Ｅ５１２２的結構框圖。該設備可做為服務器端，即首次連接網絡時，客戶機端主動請求連接服務器端作為被動端進行監(jiān)聽，同時接受局域網內聯(lián)網遠端客戶的主動查詢訪問，并將設備信息返回給客戶?該設備同樣也可以作為客戶機主動和局域網內或Ｉｎ-ｔｅｒｎｅｔ 上的主機進行通信。Ｅ５１２２ 芯片外部使用３２ｋＢ ＲＡＭ來為以太網進行數(shù)據(jù)緩沖。它使用２５６字節(jié)（最少為２５６字節(jié)）的串行ＥＥＰＲＯＭ（Ｉ２Ｃ 總線接口）來存儲系統(tǒng)參數(shù)。用戶可通過串口與Ｅ５１２２進行通信，Ｅ５１２２的作用是：完成ＴＣＰ／ＩＰ 協(xié)議和串口通信協(xié)議，同時支持普通串口和用戶設備的交互，并可通過外接ＲＴＬ８０１９ＡＳ 控制芯片來實現(xiàn)網絡連接。

４　硬件電路設計

４．１ 接口電路

在具體使用中，由于單片機本身的限制，設計時可采用跳線方式將ＪＰ引腳接高電平； 而用Ｅ５１２２與ＲＴＬ８０１９ＡＳ的接口來傳輸網絡數(shù)據(jù)。

當系統(tǒng)初次運行時，Ｅ５１２２會對ＲＴＬ８０１９ＡＳ進行初始化，同時設置其工作模式以及中斷源等。ＲＴＬ８０１９ＡＳ接收到數(shù)據(jù)時會觸發(fā)Ｅ５１２２中斷，此時Ｅ５１２２將通過Ａ８～Ａ１３和Ａ１５來選擇ＲＴＬ８０１９ＡＳ的寄存器地址和存儲器地址并控制和實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取，當有數(shù)據(jù)通過Ｅ５１２２發(fā)送給ＲＴＬ８０１９ＡＳ時，系統(tǒng)將通過地址線設置ＲＴＬ８０１９ＡＳ的相應寄存器以進行數(shù)據(jù)發(fā)送。其具體的接口電路如圖３所示。

４．２ Ｉ２Ｃ總線數(shù)據(jù)存儲器

Ｉ２Ｃ總線是ＩＮＴＥＲ ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＣＩＲＣＵＩＴ ＢＵＳ的縮寫，即“內部集成電路總線”。Ｉ２Ｃ總線是由Ｐｈｉｌｉｐｓ公司首先提出的串行通訊接口規(guī)范，該總線使用串行數(shù)據(jù)線?ＳＤＡ?和串行時鐘線?ＳＣＬ?來進行主從器件之間的數(shù)據(jù)傳輸，接口十分簡單。

Ｉ２Ｃ總線上的數(shù)據(jù)傳輸率可達１００ｋｂｉｔ／ｓ，快速模式下可達４００ｋｂｉｔ／ｓ。在Ｉ２Ｃ總線傳輸中，當ＳＣＬ為高時，ＳＤＡ由高變低為開始條件；而當ＳＣＬ為高時，ＳＤＡ由低變?yōu)楦邉t為停止條件。ＳＤＡ和ＳＣＬ都是雙向傳輸線，ＳＤＡ線上的數(shù)據(jù)在時鐘為高期間必須是穩(wěn)定的，只有當ＳＣＬ線上的時鐘信號為低時，數(shù)據(jù)線上的狀態(tài)才可以改變。輸出到ＳＤＡ線上的每一個字節(jié)必須是８位，每次傳輸?shù)淖止?jié)不受限制，但每個字節(jié)必須有一個應答位。

４．３ 隔離耦合變壓器

設計時應采用１?１隔離變壓器，同時應避免雷電引起的感應電壓損壞后級電路。此外，還需完成平衡－不平衡的轉換隔離、傳輸和匹配。

４．４ 復位與看門狗電路

通過看門狗電路可在程序跑飛或死機時，對系統(tǒng)進行重新置位或復位，以使系統(tǒng)恢復正常運行。其電路如圖４所示。該電路采用ＭＡＸ８１３Ｌ來完成電源復位和看門狗功能。

５　應用中應注意的幾個技術問題

在實際應用過程中，應注意以下幾個問題：

（１）傳輸速度

在系統(tǒng)中，上位ＰＣ機與下位測控設備之間的數(shù)據(jù)交換速度取決于以太網接口模塊的傳輸速度；而它的傳輸速度則取決于以太網接口芯片的速度、單片機的處理速度以及和設備交換數(shù)據(jù)的方式。

測控系統(tǒng)要傳送的一般是控制命令和測量數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)量不大?模塊與測控設備之間可采用ＲＳ－２３２、ＲＳ－４８５、ＣＡＮ等串口方式進行連接，其通信速率僅幾十ｋｂ／ｓ或上百ｋｂ／ｓ。而以太網接口芯片的速度（１０Ｍｂ／ｓ）和微處理器的速度遠大于串口通信速度。因此，傳輸速率主要取決于串口的通信速率。

當對傳送速率要求很高時（如傳送圖像），以太網接口模塊與測控設備之間就不能再采用串口進行連接，而必須采用并口連接。這時傳輸速率取決于微處理器的處理速度。建議選用一些高速單片機，如Ｐ８９Ｃ５２ＲＸ系列或ＳＸ系列等。

（２）ＩＰ地址

以太網測控系統(tǒng)中的測控設備要通過模塊進入以太網，就必須確定自己的ＩＰ地址。ＩＰ地址的獲得有兩種方式：一是動態(tài)獲得ＩＰ地址，二是固定分配ＩＰ地址。由于Ｅ５１２２不支持ＲＡＲＰ反向地址解析協(xié)議，故無法獲得動態(tài)ＩＰ地址，只能用固定ＩＰ地址。

（３）安全控制

在小型封閉式局域網中進行測控時，安全問題一般不大。但在廣域網甚至因特網上進行測控時，安全控制就至關重要。為此，應采用４８～１２８位的用戶密碼來保護測控設備的安全，以使合法用戶可修改、設定自己的密碼。這樣網絡非法用戶即使竊取了ＩＰ地址，由于沒有用戶密碼，也無法操作設備。

（４）實時性問題

測控系統(tǒng)在很多場合都要強調它的實時性，但以太網不是一個實時系統(tǒng)。它的載波偵聽沖突檢測（ＣＳＭＡ／ＣＤ）通信方式決定了以太網中ＩＰ包的傳輸會有延遲，甚至丟包，這是利用以太網組成分布式測控系統(tǒng)的最大缺點。但是，現(xiàn)在以太網的速度越來越快，在百兆甚至千兆網或一些小型封閉式局域網中，當網絡的繁忙程度大為減輕時，ＩＰ包幾乎沒有沖突，因而傳輸延遲、丟包現(xiàn)象將大大減小，而不會影響測控系統(tǒng)的正常工作。同時在系統(tǒng)的網絡層之上，如能增加應答協(xié)議，則丟包問題就可基本解決。

（５）連接方式

該模塊有兩個插座：一個是ＲＪ－４５插座，可用雙絞線直接連接到以太網；另一個是２５腳插座，內含ＲＳ－２３２或ＲＳ－４８５總線接口。

６　結束語

隨著２１世紀的到來?人類逐步跨入了信息時代。家電的網絡化將給已趨飽和的家電消費市場帶來新的需求。對這方面的進一步研究使得人們的生活方式、工作方式以及思維方式都發(fā)生了巨大的變化，同時也刺激了人們對各種數(shù)據(jù)源和網絡服務需求的日益增長。因此本文所介紹的方案無疑具有一定的實用和商用價值。