第 四 届 Motorola 杯 嵌 入 式 处 理 器 设 计 应 用 大 奖 赛 参 赛 作 品 网 络 化 智 能 家 居 系 统 Smart Home Network System 标 题 网 络 化 智 能 家 居 系 统 日 期 2002-10 比 赛 编 号 A11356 姓 名 罗 嘉 ( 中 文 ) Luo Jia ( 英 文 ) 单 位 北 京 市 清 华 大 学 工 程 物 理 系 单 位 电 话 通 讯 地 址 邮 编 电 子 邮 箱 luojia@enjoysmart.com physics@263.net 电 话 :
目 录 目 录...I 一 引 言... 1 二 设 计 概 述... 3 2.1 以 太 网 网 关 终 端... 3 2.1.1 背 景 信 息... 3 2.1.2 设 计 目 标... 3 2.1.3 功 能 特 性...4 2.2 智 能 灯 光 控 制 器... 4 2.2.1 背 景 信 息... 4 2.2.2 设 计 目 标... 5 2.2.3 功 能 特 性...5 三 硬 件 描 述... 6 3.2 以 太 网 网 关 终 端... 7 3.2.1 硬 件 框 图... 7 3.2.2 电 路 原 理 图... 8 3.3 智 能 灯 光 控 制 器... 9 3.3.1 硬 件 框 图... 9 四 软 件 描 述... 10 4.1 启 动 代 码 (BOOT CODE)...11 4.2 TCP/IP 协 议 栈 设 计... 13 4.2.1 现 有 的 8-bit MCU 连 接 网 络 的 方 案 比 较... 13 4.2.2 现 有 的 嵌 入 式 TCP/IP 协 议 栈 的 比 较... 13 4.2.3 TCP/IP 原 理 简 述... 14 五 功 能 展 示... 19 六 参 考 文 献... 21 七 致 谢... 21 - I -
一 引 言 想 象 一 下 : 您 准 备 欣 赏 电 视 节 目, 在 您 说 看 电 视, 新 闻 联 播 这 句 话 的 时 候, 电 视 打 开 了, 频 道 调 整 到 中 央 一 台, 窗 帘 拉 上 了, 房 间 的 光 线 逐 渐 调 整 到 最 适 宜 看 电 视 的 程 度 或 者, 在 您 回 家 的 路 上, 自 动 为 您 提 前 打 开 空 调, 调 整 室 内 温 度 到 合 适 程 度, 接 通 通 风 装 置 ; 调 节 好 室 内 的 光 线 ; 把 您 预 先 准 备 好 的 食 物 用 微 波 炉 加 热 这 样, 您 一 回 来 就 可 以 享 受 到 清 新 的 空 气 舒 适 的 环 境, 或 许 还 有 一 杯 热 茶 这 看 起 来 就 想 科 幻 影 片 里 描 写 的 一 样 可 是, 事 实 上 这 样 的 生 活 已 经 近 在 咫 尺 随 着 IT 产 业 的 发 展 和 人 们 生 活 水 平 的 提 高, 智 能 住 宅 家 庭 自 动 化 等 技 术 的 发 展 正 受 到 人 们 的 密 切 关 注, 相 关 产 品 也 在 逐 渐 成 熟 基 于 Motorola 多 元 化 的 DigitalDNA TM 技 术, 我 们 开 发 出 应 用 于 家 庭 的 一 系 列 智 能 化 网 络 控 制 系 统, 已 经 在 近 千 家 住 户 中 实 际 使 用, 这 些 充 满 智 慧 与 灵 感 的 模 块 使 得 人 们 的 生 活 更 加 轻 松 写 意 网 络 化 的 智 能 家 居 系 统 由 智 能 家 庭 总 线 以 及 总 线 上 挂 接 的 多 种 功 能 模 块 ( 节 点 ) 构 成 在 一 个 对 等 型 的 网 络 上 众 多 节 点 可 以 交 换 数 据 和 相 互 控 制, 通 过 专 门 开 发 的 ECHome Pro 软 件, 可 以 设 定 各 节 点 之 间 的 逻 辑 关 联 和 工 作 模 式 智 能 网 络 开 关 传 感 器 接 入 水 / 电 / 煤 气 表 光 照 传 感 器 温 度 传 感 器 安 防 传 感 器 INTERNET 日 程 管 理 模 块 手 持 遥 控 器 家 庭 总 线 网 络 微 波 炉 电 话 线 路 智 能 电 话 控 制 器 电 源 开 关 控 制 器 红 外 家 电 控 制 器 门 禁 控 制 器 红 外 线 中 央 空 调 控 制 器 录 像 机 电 视 机 DVD 空 调 图 1 网 络 化 智 能 家 居 系 统 的 节 点 构 成 在 解 决 智 能 住 宅 中 的 设 备 互 联 问 题 时, 采 用 了 分 布 式 网 络 控 制 系 统 这 一 方 案, 它 非 常 适 合 众 多 的 嵌 入 式 智 能 设 备 发 挥 网 络 化 的 特 点, 更 容 易 扩 充 和 维 护 - 1 -
由 于 采 用 了 对 等 网 单 一 总 线 方 式, 使 得 系 统 的 布 线 简 洁 安 装 方 便 所 有 的 终 端 设 备 可 随 时 接 入 总 线 或 脱 离 总 线 ; 作 为 一 套 成 本 敏 感 的 消 费 电 子 产 品, 应 以 提 供 实 用 化 功 能 为 原 则, 将 其 控 制 在 合 理 的 价 格 范 围 每 个 网 络 节 点 根 据 不 同 的 功 能 需 求, 选 择 MC68HC08 系 列 的 某 一 款 微 控 制 器 例 如, 在 以 太 网 网 关 终 端 和 智 能 灯 光 控 制 器 中, 采 用 了 MC68HC908SR12; 而 在 红 外 家 电 控 制 器 智 能 电 话 控 制 器 等 资 源 要 求 相 对 较 多 的 节 点, 采 用 MC68HC908GP32 作 为 核 心 本 论 文 将 选 择 最 具 有 代 表 性 的 两 个 节 点 的 设 计 情 况 进 行 深 入 介 绍 : 以 太 网 网 关 终 端 (ESWeb) 该 网 关 终 端 一 端 连 接 在 小 区 的 以 太 网 上, 另 一 端 连 接 在 家 庭 内 的 控 制 总 线 上 它 可 以 提 供 三 表 传 送 安 防 报 警 紧 急 求 助 网 络 远 程 控 制 等 功 能 该 终 端 采 用 MC68HC908SR12 设 计, 实 现 了 TCP/IP 协 议 栈 及 Web Server 智 能 灯 光 控 制 器 (ESLight) 它 是 智 能 网 络 上 一 个 典 型 的 节 点 具 有 轻 触 式 调 光 控 制 网 络 场 景 控 制 红 外 遥 控 预 设 存 储 等 丰 富 功 能 通 过 面 板 上 的 轻 触 按 钮, 可 以 控 制 灯 光 的 开 关 和 亮 度, 或 者 使 多 盏 灯 光 进 入 某 种 预 设 的 场 景 ; 也 可 以 通 过 手 持 遥 控 器 来 控 制 住 宅 内 所 有 的 灯 光 通 过 遥 控 器 上 的 场 景 设 置 按 键, 可 以 方 便 地 设 定 灯 光 场 景 和 迅 速 切 换 - 2 -
二 设 计 概 述 在 网 络 智 能 家 居 系 统 中, 具 有 代 表 性 的 两 个 节 点 是 以 太 网 网 关 终 端 和 智 能 灯 光 控 制 器 如 下 图 所 示, 通 过 智 能 灯 光 控 制 器, 可 以 对 各 盏 灯 光 进 行 直 接 控 制 ; 通 过 以 太 网 网 络 终 端, 可 以 实 现 对 灯 光 亮 度 的 远 程 控 制 和 查 询 家 庭 总 线 ESBus 以 太 网 以 太 网 网 络 终 端 智 能 灯 光 控 制 器 (00 3A) 智 能 灯 光 控 制 器 (00 4C) 下 面 将 分 别 介 绍 它 们 的 设 计 方 案 图 2 简 单 的 控 制 网 络 框 图 2.1 以 太 网 网 关 终 端 2.1.1 背 景 信 息 随 着 互 联 网 技 术 的 发 展, 宽 带 网 络 在 全 国 范 围 内 迅 速 发 展 许 多 新 建 住 宅 小 区 都 将 以 太 网 铺 设 到 了 用 户 家 庭, 使 得 整 个 小 区 的 居 民 通 过 以 太 网 实 现 宽 带 上 网 成 为 可 能 同 时, 随 着 社 区 服 务 的 完 善, 智 能 小 区 需 要 通 过 一 个 安 装 在 每 个 家 庭 的 终 端 设 备 实 现 信 息 发 布 物 业 管 理 三 表 传 送 紧 急 求 助 等 功 能 以 往, 这 样 的 信 息 终 端 和 社 区 服 务 中 心 通 过 铺 设 专 线, 如 485 总 线 来 进 行 连 接, 工 程 量 大, 故 障 率 高, 且 由 于 只 能 采 取 主 机 轮 循 方 式 而 效 率 较 低 如 果 能 够 利 用 已 经 铺 设 到 用 户 家 庭 的 现 成 的 稳 定 的 以 太 网 络 组 建 社 区 综 合 服 务 体 系 是 一 项 非 常 有 意 义 的 事 情 而 目 前 基 于 以 太 网 的 信 息 终 端 通 常 采 用 32-bit 的 微 处 理 器 和 Windows CE 等 通 用 操 作 系 统, 这 种 结 构 开 发 周 期 短 功 能 强 信 息 交 换 速 率 高 但 致 命 的 缺 点 是 成 本 太 高, 这 也 是 一 直 在 国 内 无 法 推 广 的 主 要 问 题 因 此, 向 智 能 小 区 的 每 个 住 宅 提 供 一 个 基 于 8 位 MCU 连 接 Ethernet 的 低 成 本 信 息 终 端, 不 仅 具 有 实 用 价 值, 而 且 市 场 前 景 也 相 当 广 阔 2.1.2 设 计 目 标 在 本 方 案 中, 设 计 了 一 台 家 庭 信 息 终 端, 安 装 在 智 能 小 区 的 每 个 家 庭 中, 提 供 三 表 传 送 安 防 报 警 紧 急 求 助 网 络 远 程 控 制 等 功 能 它 是 相 对 独 立 的 智 能 测 控 设 备, 可 以 直 接 与 小 区 的 以 太 网 相 连 接 作 为 一 个 成 本 敏 感 的 消 费 电 子 产 品, 应 以 提 供 实 用 化 功 能 为 原 则, 将 其 控 制 在 一 个 适 当 合 理 的 价 格 范 围 在 此 应 用 中, 信 息 终 端 对 数 据 交 换 的 速 率 要 求 并 不 高 ( 如 1Mb/s 以 下 ), 所 以 可 采 用 价 格 低 廉 的 高 速 MCU, 写 入 TCP/IP 协 议, 从 而 将 整 个 终 端 的 成 本 降 到 100-200 元 人 民 币 - 3 -
经 过 分 析, 我 们 选 择 了 MC68HC908SR12 作 为 设 计 核 心, 并 利 用 10M 以 太 网 芯 片 RTL8019AS 建 立 Ethernet 网 络 连 接 在 软 件 设 计 方 面 的 重 点 是 实 现 TCP/IP 协 议 栈, 由 于 RAM 和 FLASH 空 间 的 限 制, 必 需 设 计 出 相 当 精 炼 的 网 络 连 接 协 议 栈, 同 时 又 需 要 保 证 其 可 靠 性 基 于 IP 的 设 计 使 它 能 通 过 一 个 开 放 的 网 络 平 台 相 互 通 讯 68HC908 是 具 备 FLASH 在 线 编 程 能 力 的 MCU, 为 了 满 足 调 试 升 级 的 需 要, 我 们 设 计 了 利 用 以 太 网 进 行 在 线 程 序 升 级 的 代 码, 使 得 信 息 终 端 可 以 通 过 下 载 新 的 应 用 程 序 来 获 得 更 丰 富 的 功 能 由 于 信 息 终 端 是 一 台 嵌 入 式 WWW 服 务 器, 使 得 用 户 在 世 界 任 何 地 方 随 时 可 以 上 网 通 过 WWW 浏 览 器 了 解 家 中 情 况 并 简 单 控 制 家 中 电 器, 进 行 设 防 / 撤 防 ; 真 正 让 用 户 每 天 都 能 感 受 到 家 庭 智 能 化 的 强 大 魅 力 2.1.3 功 能 特 性 1. MCU 采 用 Motorola 的 MC68HC908SR12(7.4MHz Bus Frequency, 512byte RAM,12KB FLASH); 2. 10M Ethernet 采 用 RTL8019AS 以 太 网 芯 片 ; 3. 软 件 上 实 现 协 议 :ARP, ICMP, TFTP, UDP, TCP, IP, TELNET, HTTP, CGI 等 ; 4. 网 络 类 型 :Ethernet 通 讯 介 质 :UTP( 非 屏 蔽 双 绞 线 ); 5. 网 络 带 宽 :10Mbit, 由 于 处 理 器 限 制, 实 际 只 能 达 到 50Kbit/s 左 右 的 传 输 速 率 ; 6. 输 入 : 4 路 光 电 隔 离, 可 以 配 接 传 感 器, 紧 急 求 助 按 钮 等 ; 7. 输 出 : 4 路 光 电 隔 离 输 出, 可 配 接 功 率 驱 动 模 块 ; 8. 键 盘 :16 键, 功 能 : 智 能 终 端 配 置 设 防 / 撤 防 等 ; 实 际 上, 在 68HC908 系 列 MCU 上 实 现 了 TCP/IP 协 议 栈 之 后, 其 应 用 领 域 是 相 当 广 泛 的 : 1. 网 络 化 控 制 : 电 机 灯 光 工 业 自 动 化 家 庭 自 动 化 2. 网 络 仪 表 : 远 程 分 布 式 数 据 采 集 3. 网 络 家 电 : 智 能 家 电 WWW 方 式 监 控 界 面 在 线 更 新 4. 网 络 摄 像 机 : 在 远 程 浏 览 器 上 可 以 进 行 视 频 监 控 ; 5. 家 庭 网 关 : 非 INTERNET 协 议 的 轻 量 级 设 备 联 网 的 转 换 器 ; 2.2 智 能 灯 光 控 制 器 2.2.1 背 景 信 息 随 着 人 们 生 活 质 量 的 提 高, 灯 具 已 不 单 纯 是 实 现 室 内 基 本 照 明 的 工 具, 而 且 是 建 筑 装 饰 的 一 种 实 用 艺 术 品 当 家 里 有 各 式 各 样 的 灯 具 之 后, 将 它 们 精 心 地 搭 配 在 一 起, 并 且 达 到 最 适 合 气 氛 的 效 果 是 高 品 质 生 活 的 需 要 同 时 目 前 灯 光 的 控 制 主 要 还 是 手 动 形 式, 逐 个 地 去 控 制 所 有 的 灯 具, 这 样 不 仅 麻 烦 而 且 效 率 低 下, 也 不 符 合 现 代 舒 适 生 活 的 标 准 - 4 -
因 此, 一 个 可 以 对 灯 光 进 行 方 便 的 控 制, 同 时 提 供 场 景 组 合 等 功 能 的 智 能 化 灯 光 系 统 不 仅 具 有 实 用 价 值, 而 且 市 场 前 景 也 相 当 广 阔 2.2.2 设 计 目 标 设 计 一 个 智 能 化 灯 光 控 制 器, 安 装 在 家 中 的 各 个 房 间, 提 供 轻 触 式 灯 光 控 制 红 外 遥 控 场 景 组 合 预 设 存 储 等 丰 富 功 能 通 过 面 板 上 的 轻 触 按 钮, 可 以 控 制 灯 光 的 开 关 和 亮 度, 或 者 使 多 盏 灯 光 进 入 某 种 预 设 的 场 景 ; 也 可 以 通 过 手 持 遥 控 器 来 控 制 住 宅 内 所 有 的 灯 光 通 过 遥 控 器 上 的 场 景 设 置 按 键, 可 以 方 便 地 设 定 灯 光 场 景 和 迅 速 切 换 系 统 分 为 接 收 外 来 控 制 信 号 和 执 行 控 制 操 作 两 部 分 为 了 接 收 控 制 信 号, 系 统 需 具 备 红 外 接 收 功 能, 按 键 输 入 面 板 为 了 对 灯 具 执 行 控 制, 需 要 设 计 220V 调 光 控 制 电 路 利 用 MC68HC908SR12 的 FLASH 在 线 刷 新 (ISP) 能 力, 我 们 设 计 了 一 套 可 重 用 的 内 核 ( 包 含 BIOS 与 OS), 通 过 与 内 核 的 交 互 可 以 方 便 地 在 线 下 载 应 用 层 的 程 序 应 用 层 的 程 序 包 括 以 下 功 能 : 开 关 面 板 按 键 输 入 判 断 红 外 遥 控 器 接 收 预 设 场 景 存 储 调 光 可 控 硅 控 制 由 于 MC68HC908SR12 具 有 丰 富 的 外 围 接 口 资 源, 并 有 着 很 高 的 可 靠 性 和 运 算 速 度, 非 常 适 合 于 该 款 产 品 的 设 计 2.2.3 功 能 特 性 1. MCU 采 用 Motorola 的 MC68HC908SR12; 2. RS485 总 线 型 网 络, 通 讯 波 特 率 19200; 3. 输 入 : 轻 触 按 键, 红 外 遥 控 器 4. 输 出 : 开 关 输 出, 调 光 输 出 ; 5. 采 用 简 单 的 实 时 多 任 务 内 核 ; 6. 网 络 化 的 开 关 按 钮 控 制, 可 以 通 过 Windows 版 本 软 件 任 意 设 定 ; 7. 多 种 场 景 的 设 置, 存 储, 及 执 行 - 5 -
三 硬 件 描 述 整 个 系 统 的 核 心 由 MC68HC908SR12 构 成 它 的 内 部 框 图 如 图 3 所 示 : 图 3 MC68HC908SR12 内 部 框 图 对 于 以 太 网 网 关 终 端 (ESWeb) 和 智 能 灯 光 控 制 器 (ESLight) 的 设 计, 选 择 MC68HC908SR12 作 为 核 心 处 理 器 是 基 于 以 下 理 由 : 1. 较 低 的 成 本 : 由 于 是 家 用 设 备, 对 成 本 非 常 敏 感 ; 而 SR12 不 到 $2.5 美 金 的 价 格, 单 芯 片 的 解 决 方 案, 使 得 整 体 成 本 可 以 降 低 ; 2. 适 用 的 功 能 : 通 过 ESWeb 实 现 基 于 Web 浏 览 器 的 网 络 远 程 控 制 界 面 相 对 简 单, 用 高 端 处 理 器 或 者 PC 来 实 现 显 得 不 够 经 济 ; 我 们 编 写 的 TCP/IP 协 议 栈 约 占 用 7KB FLASH 和 380 Bytes RAM,SR12 完 全 可 以 满 足 这 一 需 求 并 有 富 余 此 外, 高 达 8MHz 的 总 线 频 率 使 得 它 和 其 他 MCU 相 比 具 有 较 强 的 处 理 能 力, 经 过 实 测, 在 以 太 网 上 传 输 HTML 页 面 并 没 有 感 到 特 别 的 延 迟 ; 对 于 ESLight 来 说, 需 要 10KB~12KB 的 空 间 来 存 储 代 码 和 配 置 信 息,SR12 恰 好 能 满 足 这 一 需 求 3. 在 线 升 级 能 力 : 对 于 ESWeb, 由 于 每 个 家 庭 的 设 备 情 况 不 一 样, 要 能 根 据 实 际 情 况 形 成 不 同 的 网 页 控 制 页 面 ; 而 MC68HC908 系 列 的 芯 片 均 支 持 FLASH 的 在 线 编 程 能 力, 我 们 设 计 了 一 套 运 行 在 Windows 环 境 的 配 置 软 件, 可 以 根 据 每 个 家 庭 的 情 况 定 制 不 同 的 HTML 页 面 下 载 到 SR12 芯 片 上 ; 对 于 ESLight, 可 以 在 线 下 载 关 联 定 义 场 景 配 置 遥 控 器 接 收 定 义 等 信 息, 这 些 信 息 可 以 在 掉 电 后 存 储 4. 足 够 的 器 件 资 源 :SR12 具 有 多 达 31 个 GPIO, 可 以 很 方 便 地 和 以 太 网 控 制 器 RTL8019AS 相 连 接 ; 剩 余 接 口 可 以 用 来 扩 展 传 感 器 键 盘 功 率 输 出 等 接 口 ; 内 置 的 温 度 传 感 器 和 10-bit AD 转 换 器 可 以 用 来 采 集 温 度 - 6 -
和 模 拟 量 数 据 ; 通 过 时 钟 单 元 的 输 入 捕 获 功 能, 还 可 以 实 现 对 水 电 气 三 表 的 脉 冲 输 出 采 集 在 ESLight 的 设 计 中, 由 于 需 要 对 可 控 硅 进 行 控 制, 一 方 面, 需 要 精 确 地 获 取 220V 交 流 电 中 的 过 零 信 息, 另 一 方 面, 也 需 要 通 过 定 时 器 控 制 可 控 硅 的 开 关 时 间,SR12 的 两 个 IRQ 以 及 两 个 定 时 器 能 很 好 地 满 足 两 路 调 光 控 制 器 的 设 计 要 求 5. 安 全 可 靠 : 系 统 要 有 非 常 高 的 可 靠 性, 不 易 出 现 误 动 作, 例 如, 在 灯 光 系 统 中, 由 于 和 220V 交 流 电 距 离 很 近, 不 能 受 到 交 流 电 的 影 响 由 于 MC68HC908 系 列 的 芯 片 在 稳 定 性 和 抗 干 扰 能 力 方 面 表 现 不 俗, 所 以 能 极 好 地 满 足 这 一 要 求 接 下 来, 将 分 别 描 述 两 个 节 点 的 硬 件 设 计 细 节 3.2 以 太 网 网 关 终 端 3.2.1 硬 件 框 图 PLL (32.768KHz) 20MHz LED: Power, Link, LAN GPIO LED D(7..0) Ethernet RTL8019AS Digital/Analog Input For sensors status AD MCU MC68HC908SR12 A(2..0) IOR IOW KeyPad(16Keys) GPIO I 2 C Isolation Transformer RJ45 Connector SCI Control Network MAX487 EEPROM 24LC256 RJ11 Connector DC 5V Power Supply 图 4 信 息 终 端 模 块 硬 件 系 统 框 图 硬 件 由 以 下 几 部 分 组 成 : 1. 单 片 机 及 其 外 围 器 件, 主 要 是 :MC68HC908SR12 PLL(32.768KHz 晶 体 等 ) LED 指 示 灯 ; 2. 以 太 网 控 制 器 部 分, 主 要 是 RTL8019AS 耦 合 变 压 器 RJ45 插 座 20MHz 晶 体 ; 3. 外 置 存 储 器, 由 一 片 I 2 C 接 口 的 EEPROM 构 成 通 过 SR12 内 置 的 I 2 C 接 口 连 接 ; - 7 -
4. 家 庭 控 制 网 络 连 接 部 分, 由 MAXIM 公 司 的 MAX487 RJ11 插 座 构 成 5. 外 部 接 口,16 键 按 键 键 盘 4 路 模 拟 量 输 入 4 路 数 字 量 输 入 2 路 脉 冲 量 输 入 ; 6. 电 源 部 分, 由 一 片 7805 提 供 5V 的 直 流 电 压 3.2.2 电 路 原 理 图 图 5 RTL8019AS 部 分 电 路 - 8 -
图 6 RS485 电 平 转 换 部 分 的 电 路 图 3.3 智 能 灯 光 控 制 器 3.3.1 硬 件 框 图 PLL (32.768KHz) LED, Beeper Power, Indicate MCU TTL-RS485 Converter RJ11 Connector 6 Key Input MC68HC908SR12 Infrared Input DC 5V Power Supply Dimmer SCR 图 7 智 能 灯 光 控 制 器 的 原 理 框 图 硬 件 由 以 下 几 部 分 组 成 : 1. 单 片 机 及 其 外 围 器 件, 主 要 是 :MC68HC908SR12 PLL(32.768KHz 晶 体 等 ) LED 指 示 灯 蜂 鸣 器 ; 2. 按 键 输 入 接 口, 在 面 板 上, 提 供 6 键 的 按 钮, 作 为 调 光 控 制 或 场 景 控 制 ; 3. 红 外 遥 控 接 口, 在 面 板 上 有 一 个 红 外 遥 控 器 接 收 窗 口, 可 以 实 现 红 外 遥 控 信 号 的 接 收 ; 4. 调 光 驱 动 部 分, 使 用 两 片 可 控 硅 (SCR,Silicon-Controlled Rectifier, 又 称 硅 控 整 流 器 ) 进 行 调 光 控 制 通 过 一 片 光 藕 (MOC3021), 从 220V 交 流 电 上 取 出 过 零 点 信 号 作 为 同 步, 过 零 信 号 表 现 为 一 个 低 电 平 脉 冲, 连 接 到 SR12 的 IRQ1 2 上 作 为 中 断 输 入 ; 5. 家 庭 控 制 网 络 连 接 部 分, 由 MAXIM 公 司 的 MAX487 RJ11 插 座 构 成 6. 电 源 部 分, 由 控 制 总 线 可 提 供 12V 直 流 电 压, 由 一 片 7805 提 供 5V 的 直 流 电 压 - 9 -
四 软 件 描 述 我 们 用 汇 编 语 言 实 现 了 一 段 启 动 代 码 (Boot Code), 而 全 部 的 应 用 程 序 则 采 用 C 语 言 编 程, 编 译 环 境 为 Hiware C 以 太 网 网 关 终 端 的 软 件 框 图 如 下 : Applications 模 拟 量 采 集 MC68HC908SR12 EEPROM 读 写 键 盘 采 集 CGI 处 理 模 块 CEBus 应 用 层 协 议 栈 HTTP 控 制 总 线 通 讯 接 口 TCP ARP IP UDP ESBus 控 制 总 线 链 路 层 RS485 通 讯 控 制 ETHERNET BOOT Code RTL8019AS MAX487 图 8 以 太 网 网 关 终 端 的 软 件 框 图 - 10 -
智 能 灯 光 控 制 器 的 软 件 框 图 如 下 : MC68HC908SR12 Applications 按 键 输 入 支 持 交 流 电 过 零 采 集 红 外 输 入 支 持 可 控 硅 驱 动 OS 实 时 多 任 务 内 核 网 络 协 议 支 持 应 用 层 更 新 模 块 系 统 调 用 支 持 输 入 <-> 输 出 关 联 支 持, 场 景 支 持 BOOT Code 提 供 在 线 擦 写 上 层 程 序 功 能 RS485 总 线 图 9 智 能 灯 光 控 制 器 软 件 框 图 4.1 启 动 代 码 (Boot Code) Motorola 的 MC68HC908SR12 是 片 内 集 成 FLASH 的 8 位 单 片 机,FLASH 擦 写 速 度 快, 可 靠 性 高, 可 独 立 擦 写 至 少 1 万 次 以 上, 所 以 在 需 周 期 修 改 存 储 的 数 据 和 代 码 的 场 合, 都 是 理 想 的 选 择 同 时, 表 贴 工 艺 (SMD) 因 其 使 相 同 集 成 度 的 器 件 封 装 性 能 更 好 尺 寸 更 小 等 优 点, 越 来 越 得 到 推 广 但 是 这 也 给 嵌 入 式 系 统 的 开 发 带 来 了 新 的 问 题 : 表 贴 的 芯 片 一 旦 焊 接 到 PCB 板 上, 就 很 难 再 取 下 来, 如 果 事 先 写 入 的 程 序 错 误 或 者 丢 失, 则 会 给 修 改 或 恢 复 带 来 诸 多 的 麻 烦 在 本 项 目 中, 包 括 SR12 在 内 的 大 部 分 器 件 选 择 了 贴 片 形 式 的, 因 此 需 要 实 现 程 序 的 在 系 统 编 程 如 果 通 过 Monitor 方 式 在 线 编 程, 那 么 需 要 在 PCB 板 设 计 时 预 留 相 应 的 管 腿 和 跳 线 但 在 本 设 计 中 由 于 体 积 限 制 无 法 预 留 因 此, 我 们 采 用 了 固 定 BOOT 代 码 的 方 式 BOOT 代 码 的 工 作 流 程 如 图 10 所 示 我 们 将 烧 写 了 BOOT 代 码 的 芯 片 直 接 焊 接 到 目 标 板 上, 通 过 串 口 通 讯 就 可 以 随 时 更 新 目 标 板 上 的 程 序, 无 需 设 置 任 何 跳 线, 非 常 方 便 Boot 代 码 约 为 1.5K, 如 果 去 掉 其 中 的 CRC 校 验 计 算 部 分, 改 为 Checksum 校 验 和, 代 码 将 更 简 洁 - 11 -
上 电 初 始 化 (Config 寄 存 器 ;PLL; 串 口 通 讯 ) 启 动 延 时 串 口 是 否 接 收 到 升 级 FALSH 代 码 段 的 请 求? Yes 反 馈 确 认 信 息 No 接 收 数 据 No 延 时 是 否 够 3 秒? FLASH 编 程 / 校 验 Yes 反 馈 校 验 数 据 升 级 是 否 完 成? 跳 转 到 正 常 程 序 代 码 (main) 图 10 BOOT 代 码 工 作 流 程 图 有 了 Boot 代 码, 调 试 的 过 程 为 : 1. 通 过 串 口 连 接 目 标 板 ; 2. 编 译 程 序, 生 成 SX 格 式 文 件 ; 3. 复 位 目 标 板, 在 3 秒 钟 的 延 时 时 间 内, 通 过 自 行 编 写 的 DLS19 工 具, 将 S19 格 式 文 件 下 载 到 目 标 板 上 ; 4. 程 序 将 自 动 按 照 正 常 工 作 状 态 开 始 执 行 此 时, 可 以 通 过 串 口 打 印 信 息, 在 DLS19 工 具 中 进 行 调 试 - 12 -
4.2 TCP/IP 协 议 栈 设 计 4.2.1 现 有 的 8-bit MCU 连 接 网 络 的 方 案 比 较 利 用 8 位 MCU 通 过 精 简 的 TCP/IP 协 议 栈 来 连 接 以 太 网, 现 在 已 有 的 方 案 的 如 表 格 1 所 示 方 案 采 用 的 处 理 器 表 格 1 常 见 的 MCU 连 接 网 络 的 方 案 比 较 内 存 需 求 代 码 尺 寸 所 实 现 的 协 议 栈 AN2120 HC908GP32 384Byte 6KB SLIP/PPP/ UDP/IP 8052.lphard.c z TCP/IP Server lean 8051 32KByt e 15KB TCP/IP/U DP PIC 500Byte 10KB PPP/TCP/ IP/UDP MSP430 MSP430 1KByte 5KB TCP/UDP/ IP Adu0812 Adu0812 1KByte 5KB TCP/UDP/ IP 物 理 层 Serial Ethernet Serial Ethernet Ethernet 特 点 / 评 价 不 能 连 接 以 太 网 协 议 栈 用 ASM 编 写 且 以 LIB 形 式 发 布, 不 利 于 移 植 只 有 SLIP 代 码 过 于 简 化 代 码 过 于 简 化 参 考 Tiny TCP 设 计 Scenix Scenix MCU - - TCP/IP Ethernet 使 用 高 速 单 片 机 Rabbit Rabbit MCU - - TCP/IP Ethernet 使 用 高 速 单 片 机 可 见, 目 前 尚 无 运 行 在 Motorola 8-bit MCU 上 的 具 备 以 太 网 连 接 功 能 支 持 TCP/IP 协 议 的 解 决 方 案 因 此, 在 本 项 目 中, 希 望 能 够 在 Motorola 典 型 的 8 位 单 片 机 MC68HC908SR12 上 做 到 以 太 网 协 议 栈 的 支 持 4.2.2 现 有 的 嵌 入 式 TCP/IP 协 议 栈 的 比 较 TCP/IP 最 先 是 在 UNIX 系 统 里 实 现 的, 后 来 的 LINUX DOS WINDOWS 也 实 现 了 TCP/IP, 随 后 TCP/IP 协 议 也 被 移 植 到 其 它 嵌 入 式 的 处 理 器 上, 由 于 指 令 以 及 资 源 上 的 原 因, 在 UNIX 上 实 现 的 TCP/IP 协 议 的 原 代 码 并 不 能 够 直 接 移 植 到 8 位 的 单 片 机 上 单 片 机 的 程 序 空 间 是 极 为 有 限 的, 直 接 寻 址 的 空 间 仅 64K 字 节, 可 用 的 内 存 RAM 也 是 非 常 小 的, 最 多 只 能 扩 64K 的 RAM 单 片 机 的 运 算 速 度 也 极 为 有 限, 一 般 只 有 2MIPS, 而 电 脑 上 的 处 理 能 力 在 100MIPS 以 上 因 此, 嵌 入 式 系 统 尤 其 是 8 位 单 片 机 上 的 TCP/IP 协 议 栈 需 要 高 度 简 化 专 门 设 计 可 以 用 来 参 考 的 协 议 栈 包 括 如 下 表 所 示 - 13 -
表 格 2 常 见 嵌 入 式 TCP/IP 协 议 栈 比 较 方 案 内 存 需 求 代 码 尺 寸 特 点 / 评 价 8052.lphard.cz 32KByte 15KB 协 议 栈 用 ASM 编 写 且 以 LIB 形 式 发 布, 不 利 于 移 植 TCP/IP lean Server 500Byte 5KB 只 有 SLIP 的 支 持, 不 能 连 接 以 太 网 on PIC TCPIP Stack on 1KByte 5KB 代 码 过 于 简 单, 不 利 于 扩 展 MSP430 lwip 10KB 40KB 资 源 需 求 稍 多 TinyTCP 500Byte 6KB 比 较 可 行 的 方 案 uip 0.6 500Byte 5KB 比 较 可 行 的 方 案 Ucip1-0-3 - - 需 要 和 uc/os 这 一 实 时 内 核 配 合 EtherNut - - 需 要 和 NUT OS 这 一 实 时 内 核 配 合 在 本 方 案 中, 选 择 了 TinyTCP uip 0.6 作 为 参 考 设 计 4.2.3 TCP/IP 原 理 简 述 4.2.3.1 网 络 协 议 栈 网 络 协 议 通 常 分 不 同 层 次 进 行 开 发, 每 一 层 分 别 负 责 不 同 的 通 信 功 能 TCP/IP 通 常 被 认 为 是 一 个 四 层 协 议 系 统, 如 图 11 所 示 每 一 层 负 责 不 同 的 功 能 图 11 网 络 协 议 层 (1) 数 据 链 路 层, 有 时 也 称 为 网 络 接 口 层 通 常 包 括 操 作 系 统 中 的 设 备 驱 动 程 序 和 计 算 机 中 对 应 的 网 络 接 口 卡 它 们 一 起 处 理 与 电 缆 ( 或 其 他 任 何 传 输 媒 介 ) 的 物 理 接 口 细 节 (2) 网 络 层, 有 时 也 称 作 互 联 网 层 处 理 分 组 在 网 络 中 的 活 动, 例 如 分 组 的 选 路 在 TCP/IP 协 议 族 中, 网 络 层 协 议 包 括 IP 协 议 ( 网 际 协 议 ) ICMP 协 议 (Internet 互 联 网 控 制 报 文 协 议 ) 以 及 IGMP 协 议 (Internet 组 管 理 协 议 ) 这 里 主 要 讨 论 IP 协 议 (3) 传 输 层 主 要 为 两 台 主 机 上 的 应 用 程 序 提 供 端 到 端 的 通 信 TCP 为 两 台 主 机 提 供 高 可 靠 性 的 数 据 通 信 它 所 做 的 工 作 包 括 把 应 用 程 序 交 给 它 的 数 据 分 成 - 14 -
合 适 的 小 块 交 给 下 面 的 网 络 层, 确 认 接 收 到 的 分 组, 设 置 发 送 最 后 确 认 分 组 的 超 时 时 钟 等 由 于 运 输 层 提 供 了 高 可 靠 性 的 端 到 端 的 通 信, 因 此 应 用 层 可 以 忽 略 所 有 这 些 细 节 (4) 应 用 层 负 责 处 理 特 定 的 应 用 程 序 细 节 几 乎 各 种 不 同 的 TCP/IP 实 现 都 会 提 供 下 面 这 些 应 用 : 1. HTTP 超 文 本 传 输 控 制 协 议 ; 2. TELNET 远 程 登 录 ; 3. FTP 文 件 传 输 协 议 ; 4. SMTP 简 单 邮 件 传 送 协 议 ; 5. SNMP 简 单 网 络 管 理 协 议 由 于 8 位 嵌 入 式 网 络 通 常 面 向 专 门 的 小 数 据 量 的 应 用, 实 现 FTP SMTP 等 协 议 栈 并 没 有 太 大 意 义 因 此, 这 里 主 要 讨 论 HTTP 协 议 因 为 数 据 链 路 层 主 要 是 网 络 接 口 卡 及 驱 动, 由 RTL8019AS 来 实 现, 所 以 下 面 讨 论 网 络 层 传 输 层 和 应 用 层 协 议 栈 的 实 现 在 传 输 的 数 据 报 文 中, 各 个 层 次 的 协 议 栈 都 会 添 加 自 己 的 首 部 和 尾 部 数 据 如 图 12 所 示 图 12 各 协 议 栈 对 HTTP 数 据 报 文 的 贡 献 4.2.3.1.1 网 络 层 IP 是 TCP/IP 协 议 族 中 最 为 核 心 的 协 议 Internet 所 有 的 数 据 都 以 IP 数 据 报 格 式 传 输 IP 协 议 最 大 的 特 点 是 提 供 不 可 靠 的 和 无 连 接 的 数 据 包 传 送 服 务 IP 数 据 包 的 格 式 如 图 13 所 示 图 13 IP 数 据 包 的 格 式 - 15 -
4.2.3.1.2 传 输 层 传 输 层 中 包 括 TCP( 传 输 控 制 协 议 ) UDP( 用 户 数 据 报 协 议 ) 等 用 TCP 协 议 传 输 的 所 谓 数 据 实 际 指 的 是 数 据 流 中 的 段, 而 用 UDP 协 议 传 输 的 所 谓 数 据 指 的 是 数 据 包 IP 所 提 供 的 是 非 可 靠 的 无 连 接 能 力 的 向 指 定 主 机 地 址 的 包 传 送 的 协 议 TCP 和 UDP 都 属 于 IP 上 层 的 传 输 层 协 议 二 者 都 使 用 端 口 号 作 为 送 往 主 机 的 解 码 地 址 端 口 号 由 各 个 具 体 应 用 所 确 定, 同 时 使 用 多 个 端 口 号 能 完 成 一 机 多 网 的 操 作 每 个 UDP 数 据 包 和 TCP 数 据 段 中 都 含 源 端 口 号 和 目 的 端 口 号 为 接 收 远 端 的 输 入 而 等 待 着 执 行 接 入 操 作 的 主 机 是 所 谓 的 服 务 器, 发 起 接 入 请 求 的 主 机 就 是 所 谓 的 客 户 机 服 务 器 为 最 常 服 务 的 应 用 如 FTP( 文 件 传 输 协 议 ) Email 和 HTTP, 分 配 了 知 名 的 端 口 号 并 对 其 进 行 持 续 地 监 听 作 为 传 输 源 的 客 户 机 通 常 选 择 随 机 的 端 口 号, 并 向 已 分 配 了 知 名 端 口 号 的 服 务 器 发 出 接 入 请 求 客 户 应 用 所 取 的 端 口 号 应 大 于 1024, 因 1024 以 下 的 端 口 号 是 为 知 名 应 用 而 预 留 的 (1) TCP 协 议 TCP 提 供 一 种 面 向 连 接 的 可 靠 的 字 节 流 传 送 服 务 TCP 数 据 包 的 结 构 如 图 14 所 示 图 14 TCP 数 据 包 的 结 构 (2) UDP 协 议 UDP 被 认 为 是 一 个 应 用 程 序 和 IP 间 的 接 口, 因 为 应 用 程 序 从 不 直 接 使 用 IP UDP 层 很 小, 包 含 8 个 字 节 的 头 但 需 要 应 用 层 来 负 责 错 误 恢 复, 重 传 等 等 图 15 UDP 作 为 应 用 程 序 到 IP 之 间 的 接 口 UDP 不 够 可 靠, 当 数 据 包 到 达 目 标 时 没 有 确 认 它 不 处 理 以 混 乱 顺 序 到 来 的 报 文, 也 不 提 供 反 馈 来 控 制 主 机 间 的 信 息 流 因 此 UDP 消 息 会 丢 失 重 复 或 顺 序 混 乱 这 意 味 着 使 用 UDP 的 程 序 应 该 让 传 输 可 靠 UDP 主 要 用 在 传 输 视 频 和 音 频 - 16 -
4.2.3.1.3 应 用 层 HTTP 是 WWW 上 的 协 议 当 用 户 要 浏 览 服 务 器 上 的 一 个 网 页 时, 一 个 HTTP 请 求 就 会 从 用 户 的 浏 览 器 发 到 HTTP 服 务 器 服 务 器 响 应 这 个 请 求, 把 指 定 的 网 页 传 送 回 来, 用 户 才 看 到 了 网 页 下 面 是 一 个 典 型 的 客 户 端 向 服 务 器 发 送 请 求 的 例 子 : GET Destination_IP/index.html http/1.0 GET 代 表 客 户 端 的 请 求 命 令, 而 服 务 器 也 受 理 这 个 命 令 ; Destination_IP 代 表 远 程 主 机 的 IP 地 址 ;index.html 是 客 户 端 请 求 的 资 源 ; http/1.0 是 HTTP 协 议 的 版 本 4.2.3.2 以 太 网 网 卡 的 工 作 原 理 RTL8019AS 是 RealTek 公 司 生 产 的 一 种 全 双 工 以 太 网 控 制 器, 由 于 其 优 良 的 性 能 低 廉 的 价 格, 使 其 在 市 场 上 10MbpsISA 总 线 网 卡 中 占 有 相 当 的 比 例 4.2.3.2.1 主 要 性 能 1. 适 应 于 Ethernet II IEEE802.3 10Base5 10Base2 10BaseT; 2. 与 NE2000 兼 容, 支 持 8 位 16 位 数 据 总 线 ; 3. 全 双 工, 收 发 可 同 时 达 到 10Mbps 的 速 率, 具 有 睡 眠 模 式, 以 降 低 功 耗 ; 4. 内 置 16KB 的 SRAM, 用 于 收 发 缓 冲, 降 低 对 主 处 理 器 的 速 度 要 求 ; 5. 可 连 接 同 轴 电 缆 和 双 绞 线, 并 可 自 动 检 测 所 连 接 的 介 质 ; 6. 100 脚 的 TQFP 封 装, 缩 小 PCB 尺 寸 4.2.3.2.2 内 部 结 构 按 数 据 链 路 的 不 同, 可 以 将 RTL8019AS 内 部 划 分 为 远 程 DMA(remote DMA) 通 道 和 本 地 DMA(local DMA) 通 道 两 个 部 分 本 地 DMA 完 成 控 制 器 与 网 线 的 数 据 交 换, 主 处 理 器 收 发 数 据 只 需 对 远 程 DMA 操 作 当 主 处 理 器 要 向 网 上 发 送 数 据 时, 先 将 一 帧 数 据 通 过 远 程 DMA 通 道 送 到 RTL8019AS 中 的 发 送 缓 存 区, 然 后 发 出 传 送 命 令 RTL8019AS 在 完 成 了 上 一 帧 的 发 送 后, 再 完 成 此 帧 的 发 送 RTL8019AS 接 收 到 的 数 据 通 过 MAC 比 较 CRC 校 验 后, 由 FIFO 存 到 接 收 缓 冲 区, 收 满 一 帧 后, 以 中 断 或 寄 存 器 标 志 的 方 式 通 知 主 处 理 器 原 理 框 图 如 图 16 所 示 图 16 RTL8019AS 原 理 框 图 - 17 -
在 图 16 中, 接 收 逻 辑 在 接 收 时 钟 的 控 制 下, 将 串 行 数 据 拼 成 字 节 送 到 FIFO 和 CRC; 发 送 逻 辑 将 FIFO 送 来 的 字 节 在 发 送 时 钟 的 控 制 下 逐 步 按 位 移 出, 并 送 到 CRC;CRC 逻 辑 在 接 收 时 对 输 入 的 数 据 进 行 CRC 校 验, 将 结 果 与 帧 尾 的 CRC 比 较, 如 不 同, 该 帧 数 据 将 被 拒 收, 在 发 送 时 CRC 对 帧 数 据 产 生 CRC, 并 附 加 在 数 据 尾 传 送 ; 地 址 识 别 逻 辑 对 接 收 帧 的 目 的 地 址 与 预 先 设 置 的 本 地 物 理 地 址 进 行 比 较, 如 不 同 且 不 满 足 广 播 地 址 的 设 置 要 求, 该 帧 数 据 将 被 拒 收 ;FIFO 逻 辑 对 收 发 的 数 据 作 16 个 字 节 的 缓 冲, 以 减 少 对 本 地 DMA 请 求 的 频 率 - 18 -
五 功 能 展 示 以 太 网 网 关 终 端 和 智 能 灯 光 控 制 器 可 以 形 成 一 个 小 系 统, 如 下 图 所 示 每 个 智 能 灯 光 控 制 器 拥 有 一 个 独 立 的 Node ID 地 址, 以 太 网 网 络 终 端 除 了 拥 有 在 总 线 上 的 Node ID 之 外, 还 需 要 分 配 一 个 以 太 网 上 的 IP 地 址 家 庭 总 线 ESBus 以 太 网 以 太 网 网 络 终 端 智 能 灯 光 控 制 器 (00 3A) 智 能 灯 光 控 制 器 (00 4C) 计 算 机 220V AC 图 17 简 单 的 控 制 网 络 框 图 可 以 实 现 的 功 能 如 下 : 1. 可 以 通 过 ECHome Pro 软 件, 定 义 智 能 灯 光 控 制 器 的 场 景 和 按 键 功 能 图 18 ECHome Pro 配 置 软 件 界 面 2. 经 过 配 置 后, 智 能 灯 光 控 制 器 可 以 对 总 线 上 的 各 盏 灯 光 进 行 直 接 控 制 ; 还 可 以 通 过 轻 触 场 景 按 键, 使 得 总 线 上 的 多 盏 灯 光 进 入 预 设 场 景 模 式 3. 以 太 网 网 络 终 端 相 当 于 一 个 嵌 入 式 的 WWW 服 务 器, 在 普 通 计 算 机 的 浏 - 19 -
览 器 上, 可 以 访 问 该 以 太 网 网 络 终 端, 实 现 对 灯 光 亮 度 的 远 程 控 制 和 查 询 图 19 访 问 ESWeb 时 看 到 的 首 页 图 20 访 问 ESWeb 时 看 到 的 设 备 控 制 页 面 - 20 -
六 参 考 文 献 1 COMER DOUGLAS E. 用 TCP/IP 进 行 网 际 互 连 TCP/IP 详 解, 卷 1: 协 议 林 瑶 等 译 北 京 : 电 子 工 业 出 版 社 2 许 华 杰, 明 健 基 于 SX 单 片 机 实 现 WebServer 和 网 络 协 议 栈 单 片 机 与 嵌 入 式 系 统 应 用 2001.11 3 万 静 华, 丁 亚 军 以 太 网 控 制 器 的 嵌 入 式 设 备 网 络 互 连 单 片 机 与 嵌 入 式 系 统 应 用 2001.12 4 MC68HC908SR12 datasheet. http://www.motorola.com 5 RTL8019AS datasheet. http://www.realtek.com.cn 6 RFC-791 IP (Internetwork Protocol) http://www.rfc-editor.org 7 RFC-792 ICMP (Internetwork Control Message Protocol) http://www.rfc-editor.org 8 RFC-826 ARP (Address Resolution Protocol; for IP over Ethernet) http://www.rfc-editor.org 9 RFC-786 UDP (User Datagram Protocol) http://www.rfc-editor.org 10 RFC-1025 TCP/IP Bake-Off (testing of TCP/IP implementations) http://www.rfc-editor.org 11 RFC-1122 Requirements for Internet hosts (1) http://www.rfc-editor.org 12 RFC-1123 Requirements for Internet hosts (2) http://www.rfc-editor.org 13 RFC-1700 Assigned Numbers http://www.rfc-editor.org 14 TinyTCP: http://www.csonline.net/bpaddock/tinytcp 七 致 谢 首 先 要 感 谢 我 的 导 师 邵 贝 贝 教 授 一 直 以 来 给 予 的 关 心 和 支 持 还 要 感 谢 实 验 室 里 薛 涛 龚 光 华 蒋 俊 峰 马 伟 等 同 学 的 大 力 相 助, 使 我 的 设 计 能 够 如 期 完 成 - 21 -