基于CAN的智能家电管理系统

【中心议题】

• 详细分析了目前数字家庭信息系统的现状和目前所采取方案的优缺点
• 采用基于CAN总线的智能家居网关集中控制方案

【解决方案】

• 通过引入智能家居接口单元模块,有效的隔离被控对象的多样性,减小系统的复杂性
• 通过键盘控制、遥控方式从智能家居网关分离,提高智能家居网关的可靠性
• 内部网络选用CAN总线降低成本,满足可扩展性,并实现被控对象的即插即用功能

引言

数字家庭信息管理系统是利用计算机技术、网络技术、通信技术、控制技术等,实现家庭自动化、小区智能化和社区信息化,为住户提供舒适、安全、便利、高效的居住环境,为物业管理提供可靠、优质的服务平台。信息自动化是对数字设备实现互联,内部家用网络接入设备之间局域网的连接,如计算机、多媒体计算机、电视、摄/录像机、VCD/DVD和数码相机等娱乐设备,对外实现与互联网连接,实现远程监控、教育、医疗、存贷、购物等。

1数字家庭信息系统总体框架设计与分析

由于成本和复杂度、安全性等原因,数字家庭元件一般不会直接接到家庭网关上,而是通过数字家庭控制网关,将数字家庭元件和其他信息自动化设备隔离,通过控制网关,实现将简单的家电设备连接到数字家庭,并且有足够的可靠性和安全性,以及低成本特点。本系统在设计上在被控家电方面引入了数字家庭接口单元,实现数字家庭内部网络与被控家电的隔离,其总体框架图如图1所示。

2数字家庭网关的硬件实现

本文选用Samsung公司的生产的ARM7系列芯片中的S3C44B0X作为系统的处理器,该芯片内部集成有LCD控制器SDRAM控制器、2个串行接口控制器、PWM控制器、IIC控器、IIS控制器、实时时钟、AD转换等丰富的外围控制模块,而且通过外接网络控制芯片,可以实现各种网络通讯协议,其它的外围电路就可以按照数字家庭系统的设计要求和S3C44B0X芯片的标准外设电路进行设计。

2.1 SDRAM电路设计

在本设计中选用Hynix公司生产的HY57V641620芯片,HY57V641620芯片存储容量为4组16M(8M字节),工作电压为3.3V,封装为54脚TSOP,兼容LVTTL接口,支持自动刷新(Auto-Refresh)和自刷新(Self-Refresh),16位数据宽度。HY57V641620的12条地址总线与S3C44B0X的外部扩展地址总线ADDR[1...12]相连,而数据线连接S3C44B0X的外部扩展数据总线的低16位,即DATA[0...15],片选信号CS,读信号WE和行列选择信号CAS,RAS分别与S3C44B0X的相应引脚相连,地址空间为OxOC000000~OxOC7FFFFF。BAO,BA1分别连接外部地址总线ADDR21,ADDR22上。在系统启动过程中要对S3C44B0X的存储器控制器的关键寄存器进行配置,保证配置的时序、刷新周期满足芯片的要求,其详细的实现电路框图如图2所示。

2.2以太网接口电路设计

在本设计中选用的是RTL8019AS,该芯片集成了MAC层和PHY层,提供LOCAL BUS总线接口。在设计中采用跳线方式,I/O地址用300H,中断使用INTO与MCU的外部中断ExINTI相连,IOCSI6B引脚上拉,选择数据宽度为16位方式,网络接口为BNC,接口类型为自动检测(使用双绞线),没有使用brom。因为RTL8019AS的输入引脚内部接有100K的下拉电阻,所以需要拉低的引脚悬空即可。由于I/O地址为300H,基于该地址需要访问RTL8019AS内部32个寄存器地址OOH~1FH,所以需要将RTL8019AS地址线锁定为3XXH,而只访问低5位即可。因此将地址线SA9,SA8接高电平,SA4~SA0接S3C44B0X地址线ADDR4~ADDR0,其余拉低,具体实现电路框图如图3所示。

2.3 CAN总线接口设计

使用CAN总线通信时,需要用到CAN总线控制芯片和总线驱动芯片,使用时只要把CAN总线控制芯片与CPU正确连接,再通过CAN总线接口芯片用一对双绞线把所有节点连接起来。在本设计中选用CAN总线控制芯片SJA 1000和总线驱动芯片PCA82C250。

由于SJA 1000采用的数据和地址总线复用,为了减小设计的复杂度,本文采用了GPIO模拟LOCAL BUS总线,实现了数据总线和地址总线的复用,程序编写方便,唯一的缺点就是访问的速率较低。SJA1000与82C50的连接形式比较多,在远距离,干扰强的情况下,应当在RXO,TXO和RXD,TXD之间加上高速光耦,高速光耦的数据波特率可达500Kbitl s以上,而常见的耦合器件如4N25只能达到几千的波特率,对于CAN显然是不行的。在本设计中选用高速光祸隔离器件6N137来实现收发器与控制器之间的电气隔离,保护控制系统电路,以满足在最高速率1 Mbps下的电气响应。6N137在高速应用的情况下,RS通过16K电阻接地,以减少延迟,此外特别注意软件设计时的CAN的初始化,尤其是波特率必须相同。SJA1000的中断信号接入S3C44B0X的外中断0引脚,需要将该引脚所在的寄存器设为中断方式。具体实现的电路框图如图4所示。

2.4供电系统的设计

在本系统中,需要使用的电源有:48V的控制系统电源,+5V的以太网电源输出电源,+3.3 V的外围器件的工作电源以及+2.5V的S3C44B0X的内核工作电源,在本系统中低压电源全部采用线性电源实现。电源先由220V交流电变压到48V和9V交流电,之后9V电源采用全波整流输出接近11V直流电源,48V交流电源直接给系统中的数字家庭接口单元供电。l0V电源采用AS1117电源芯片产生高精度的+5V电源。

2.5测温功能、实时时钟的设计

在控制系统上集成温度传感器可以感受室内温度,并且在单板异常时报异常。考虑目前集成的温度传感器便宜和使用方便,本文采用了LM75来实现温度检测,LM75测温的原理是使用节温二极管来实现对系统温度的检测,使用S3C44B0X自带的IIC接口和LM75对接,就可以实现温度的读取。

实时时钟系统采用S3C44B0X自带的RTC模块实现,需要外接后备锂电池和晶体实现,采用实时时钟的目的主要是为了记录嵌入式家居异常时间并实现报时的功能,即可以由用户自己调整闹铃。

3系统软件设计

从整个系统功能来看,要实现从三种人机接口来对家电进行控制,分为:通过数字家庭监控界面远程登陆控制、通过内部总线接口的键盘接口和通过内部总线的红外控制接口实现控制,并对数字家庭上报的告警信息进行处理上报到上层管理设备。系统的软件设计分为系统软件设计和应用软件设计,其中最重要的便是系统软件设计中的以太网和CAN总线驱动设计。

3.1以太网驱动设计

硬件设计中链路层主要完成以太网的物理连接,同时需要软件控制,才能实现数据包的正常发送和接收。为使RTL8019AS启动并处于准备接收或发送数据的状态,需要对RTL8019AS的内部寄存器进行状态设置。在本系统中为编写一个函数实现,并在外设初始化阶段调用此函数进行配置。

完成了芯片的初始化,芯片进入了正常工作状态。当处理器向网上发送数据时,先将一帧数据通过LOCAL BUS总线送到RTL8019AS的发送缓存区,然后通过配置寄存器发出传送命令,由RTL8019AS完成数据向以太网的发送。RTL8019AS接收数据时,将接收到的数据通过MAC比较、CRC校验后,由FIFO存入接收缓冲区。收满一帧后,以中断或寄存器标志的方式通知处理器,处理器再通过LOCAL BUS读取这一帧数据,其接收以太网报文流程图如图5所示。

3.2 CAN总线驱动实现

CAN总线节点软件设计主要包括三部分:CAN节点初始化、报文发送和报文接收。初始化程序,SJA1000的初始化只有在复位模式下才可以运行,初始化主要包括工作方式的设置、接收滤波方式的设置、接收屏蔽寄存器(AMR)和接收代码寄存器(ACR)的设置、波特率参数设置和中断允许寄存器(IER)的设置等。在完成了SJA1000的初始化以后,SJAI000就可以回到工作状态,进行正常的通信任务。发送子程序负责节点报文的发送,发送时用户只需要将待发送的数据按特定格式组合成一帧报文,送入SJA 1000发送缓冲中,然后启动SJA1000发送即可。在发送之前需要组帧,并需要检测发送缓冲状态标志。

接收子程序负责节点报文的接收及其它情况处理。在本文中SJA 1000报文的接收采用中断处理方式,CPU接收中断后,首先判断中断的原因,如果是SJA1000已接收一帧数据,该帧己通过验收滤波器且己放在接收FIFO中,那么将会产生一个接收中断。在中断处理程序中,把接收到的数据存储到本地空间,然后,通过对命令寄存器的相应标志(RRB)置位,发送一个释放接缓冲的命令。如果在接收FIFO里还有更多待接收数据,将产生一个新的接收中断。因此,在一个中断期间不可能将所有在接收FIFO中的有效数据读取,在释放了接收缓冲寄存器后,可以通过检查状态寄存器中接收缓冲状态(RBS)来查看是否还有更多数据需要接收。这样所有有效的数据都会被循环读出。完成了报文接收后,会根据报文的内容进行判断,并触发嵌入式操作的多任务调度。

4结论

本文创新点:本文提供了一种全新的智能家居体系。在被控家居方面引入了智能家居接口单元,实现智能家居内部网络与被控家居的隔离;网关将键盘、无线人机接口部分分离,实现高可靠性的网关设计构架;智能家居内部网络选用可靠性高、成本低、性能高的CAN总线,并自己定义内部网络高层协议,CAN总线提供的集中式控制链形连接方式,以共享总线的方式来实现家庭网络的通讯和管理,在中央控制器集中协调和管理下,家居网络有条件下的可任意扩展,从而实现家庭网络较完美的控制方案。