利用單片機模擬信息家電的通用設計方案

　　人類已經(jīng)進入了信息時代，信息交流成為人們生活和生產(chǎn)的必需，而且正在快速向前發(fā)展。因此，不管是手機、PDA還是家電，最終都要融入到網(wǎng)絡中去。傳統(tǒng)IT與傳統(tǒng)家電必將匯入信息家電這條大河。無論是PC廠商，還是家電廠商對信息家電所具有的廣闊前景大都深信不疑。但是，目前的信息家電還處在初級階段，信息家電的標準還未確定，對其的研究也還未有突破性的進展。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單片機和外圍擴展模塊模擬信息家電，利用PC模擬家庭網(wǎng)關，從而成功搭建了一個模擬家庭網(wǎng)關和信息家電交互的平臺。這種利用一個單片機集成系統(tǒng)對信息家電進行模擬為研究信息家電的內部體系結構以及家庭網(wǎng)關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。

　　2 信息家電

　　信息家電是所有能夠通過網(wǎng)絡系統(tǒng)交互信息的家電產(chǎn)品，也就是說信息家電是將數(shù)字技術和網(wǎng)絡技術集成在電冰箱、洗衣機等傳統(tǒng)家用電器上并以此為基礎建立家庭網(wǎng)絡環(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)絡化；

　?。?）能夠遵循一定的協(xié)議，通過家庭網(wǎng)關或直接與外部網(wǎng)絡進行信息交互；

　?。?）與用戶雙向交流，功能單一集中并且便于學習，使用簡單；

　?。?）信息家電應該具有實時化，數(shù)字化與智能化的特點；

　?。?）應用嵌入式操作系統(tǒng)。其內部體系結構可用下圖表示：

　　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，使用嵌入式操作系統(tǒng)是一種必然趨勢，本文在單片機上實現(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)絡與家庭網(wǎng)關

　　家庭網(wǎng)絡借助現(xiàn)有的計算機網(wǎng)絡技術，將家庭內各種家電和設備連網(wǎng)，通過網(wǎng)絡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。實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡與外部信息的交換需要設計一個理想的家庭網(wǎng)關。家庭網(wǎng)關是一種簡單的、智能的、標準化的、靈活的整個家庭網(wǎng)絡接口單元，它可以從不同的外部網(wǎng)絡接收通訊信號，通過家庭網(wǎng)絡傳遞信號給某個消費設備。家庭網(wǎng)關應具備的兩個主要功能是：（1）作為家庭內部網(wǎng)絡和外部網(wǎng)絡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的平臺。

　　家庭網(wǎng)關接口的有效的解決方案，當前比較統(tǒng)一的觀點是開發(fā)一個集中式網(wǎng)關，它將提供一個最有效的橋接外部網(wǎng)絡和家庭網(wǎng)絡或設備的解決方案。

　　4 嵌入式Web服務器

　　嵌入式Web服務器（EmbeddedWebServer,EWS）是指將Web服務器引入到現(xiàn)場測試和控制設備中，在相應的硬件平臺和軟件系統(tǒng)的支持下，使傳統(tǒng)的測試和控制設備轉變?yōu)榫邆淞艘訲CP/IP為底層通信協(xié)議，Web技術為核心的基于互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡測試和控制設備。EWS系統(tǒng)與傳統(tǒng)的Web應用相比，簡化了系統(tǒng)結構，將信息采集和信息發(fā)布都集成到現(xiàn)場的測控設備中。由于有了標準的接口形式和通信協(xié)議，內嵌于設備的Web服務器可以向任何接入它所在網(wǎng)絡的合法用戶提供統(tǒng)一的基于瀏覽器方式的操作和控制界面，瀏覽器成了設備的前端控制板。由于Web技術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)的設計、維護工作量，節(jié)省了人員培訓費用等，提高了現(xiàn)場測試和控制設備的管理水平。

　　5 硬件選型

　　5.1 SX52的優(yōu)勢

　　用單片機實現(xiàn)嵌入式互聯(lián)網(wǎng)方案的技術難點是：如何利用單片機本身有限的資源對信息進行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+專用網(wǎng)，缺點是要增加布線和第三方協(xié)議轉換軟件；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)絡協(xié)議比采用集成網(wǎng)絡協(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微控器進行網(wǎng)絡控制更具其獨特優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在：

　?。?）速度快，在100MHz頻率下能達到100MIPS;

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

　?。?）強大的虛擬外設功能，即通過軟件對I/O口進行靈活的配置，CPU執(zhí)行虛擬軟件模塊就可以驅動普通的I/O口來模擬外設的功能，比如UART、SPI、IIC和FSK等。采用其成功的網(wǎng)絡協(xié)議模塊和一些適用于小型嵌入系統(tǒng)的做法構筑現(xiàn)場控制Web服務器是最明智的做法。

　　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，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晶振驅動下指令執(zhí)行速度可達100MIPS。這款單片機以其優(yōu)異的性能，可以廣泛應用在需要網(wǎng)絡支持的場合，尤其適合于需要網(wǎng)絡遠程控制或遠程監(jiān)控的應用中。開發(fā)系統(tǒng)板所實現(xiàn)的網(wǎng)絡協(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)頁內容，主CPU通過I2C總線訪問24C256,其中存儲的網(wǎng)頁內容通過主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)絡接口模塊

　　此模塊實現(xiàn)了兩種網(wǎng)絡接口方式：以太網(wǎng)接口和調制解調器接口，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)利用這些信號進行相應的外圍電路擴展試驗。

　　5.2.4 調試、仿真和下載模塊

　　開發(fā)系統(tǒng)板上有調試、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）、調試、和程序ISP方式編程下載。