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1、智能家电网络管理系统 G&D小组一、方案简介智能家电网络管理系统的目标是实现家用电器的网络化、智能化管理。通过该系统将家中的网络电器与互联网相连，这样无论何时何地，用户都可以通过该系统远程操纵家用电器、对家中的大小事务发布指令、了解家中的状况。智能家电网络管理系统的核心部分是一个嵌入式Web服务器，它主要具有以下功能：1. 系统集有线和无线Web服务器于一体，用户可以利用办公室的PC机登录家中的Web服务器，在通过用户名和密码验证后，便可以查看并控制家用电器；也可以用手机发送短消息来控制家用电器；2. 系统具有良好的用户界面，当清晨用户离家上班时，只需顺手按几个按键，便可以使整个房间里的家电有
2、条不紊地忙碌起来。在完成用户指定的任务后，向用户反馈必要的信息。3. 系统留有功能扩展接口，以便日后应用于防火防盗等功能。二、系统原理和硬件连接系统的原理框图如图1所示，主要包括：ARM微控制器STR710、以太网控制器CS8900A、GPRS模块MC35i以及LCD。其中STR710与MC35i通过RS232串口相连，与CS8900A通过ISA总线相连。图1系统原理框图1. ARM微控制器STR710STR710是整个系统的核心。它作为一个嵌入式网关，将外部网络与所有的网络家电连接在一起,是整个系统运行的平台。首先，在远程操纵家电方面，STR710负责从MC35i接收到的短消息和从CS890
3、0A接收到的以太网数据中提取出用户指令，然后根据该指令操纵相应的网络家电或者查询其运行情况，最后再通过MC35i以短消息的形式或通过CS8900A以网页的形式将指令的执行结果反馈到用户终端。其次，在网络家电工作模式设置方面，STR710的任务就是在LCD上显示相应的菜单以及帮助信息，通过良好的界面指导用户完成设置。之后，STR710定时查看家用电器的工作情况。一旦出现紧急或危险的状况时，及时采取必要的保护措施，并通过MC35i发送警告信息。2. 网络控制器CS8900A2.1 CS8900A简介CS8900A 是CIRRUS LOGIC公司生产的低功耗、性能优越的16 位以太网控制器。该芯片的
4、突出特点是使用灵活, 其物理层接口、数据传输模式和工作模式等都能根据需要而动态调整, 通过内部寄存器的设置来适应不同的应用环境。2.1.1主要功能模块：CS8900A内部结构框图如图2所示。它内部主要的功能模块是802.3介质访问控制块(MAC)。802.3介质访问控制块支持全双工操作, 完全依照IEEE 802. 3 以太网标准( ISO/IEC 8802-3, 1993) , 它负责处理有关以太网数据帧的发送和接收, 包括: 冲突检测、帧头的产生和检测、CRC校验码的生成和验证。通过对发送控制寄存器(TxCMD) 的初始化配置，MAC能自动完成帧的冲突后重传。如果帧的数据部分少于46个字节
5、, 它能生成填充字段使数据帧达到802. 3所要求的最短长度。图2 CS8900A内部结构框图2.1.2主要特点：符合IEEE 802. 3以太网标准, 并带有ISA总线接口;片内4K字节RAM ;适用于I/O操作模式, 存储器操作模式和DMA操作模式;带有传送、接收低通滤波的10Base2T 连接端口;支持10Base2, 10Base5 和10Base2F的AUI接口;自动生成报头, 自动进行CRC检验, 冲突后自动重发;最大电流消耗为55mA (5V电源) ;全双工操作;支持外部EEPROM。另外, 要实现CS8900A与STR710之间的数据通讯，在电路设计时可根据具体情况灵活选择合适
6、的数据传输模式。CS8900A支持的传输模式有I/O模式和Memory模式, 另外还有DMA模式。其中, I/O模式是访问CS8900A存储区的缺省模式, 比较简单易用，所以在本系统中我们选用I/O模式。2.2CS8900A的基本工作原理2.2.1CS8900A与STR710的硬件连接CS8900A与STR710的硬件连接框图如图3所示，STR710通过/SBHE、/IOW和/IOR等控制信号实现对CS8900A的工作方式控制和读写操作。需要说明的是: 当CS8900A有硬件复位或软件复位时,它将默认成为8位工作模式。因此, 要使CS8900A工作于16位模式, 系统必须在访问之前提供给总线高
7、位使能管脚(/SBHE) 一个由高到低、再由低到高变化的电平信号, 这在网络驱动程序中予以实现。数据的接收采用中断方式, 由于CS8900A和STR710的中断电平是相反的, 所以, 中断信号线间需接一个非门。CS8900A与STR710之间的数据传输采用的是默认的I/O模式, 因此, 读写管脚/MEMW和/M EMR被置高,以关闭Memory方式。在此模式下, 用4根地址线就可以实现对所有寄存器的访问。如图3所示,管脚SA0SA3对应接到STR710的地址线A11A14上即可。除了为保证上述的缺省偏移地址(0x0300)须将SA8和SA9置高外, 其余不用的地址线都接低电平。CS8900A通
8、过一个带厄流线圈的隔离变压器(E2023)将CPU要发送的数据发送到网络上；接收数据时, 由网络传来的数据也经过隔离变压器。加隔离变压器的作用主要是将外部线路与CS8900A隔开, 防止干扰和烧坏元器件, 实现带电的插拔功能。图3 CS8900A与STR710的连接框图2.2.2CS8900A发送和接收数据的过程CS8900A在收到由STR710发来的以太网帧(帧结构如图4所示)后, 侦听网络线路。如果线路忙,就等到线路空闲为止,否则, 立即发送该数据帧。发送时,首先,CS8900A添加以太网包头(包括先导字段和包开始标志，包结构如图4所示), 然后, 生成CRC校验码, 最后, 将此以太网包
9、发送到以太网上。接收时, 它将从以太网收到的数据包在经过解码、去掉包头和地址检验等步骤后缓存在片内。在CRC校验通过后, 它会根据初始化配置情况, 通知STR710，CS8900A收到了数据帧。最后, 根据配置选择一种传输模式传到主机的存储区中。图4 以太网帧结构3. GPRS模块MC35i3.1 MC35i简介MC35i是Siemens公司推出的新一代无线通信GPRS模块, 如图5所示。MC35i模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块供电模块(ASIC)、 FLASH、ZIF连接器天线接口六部分组成如图。通过独特的40引脚的ZIF连接器实现电源、连接指令、数据、语音信号及控制信号的双向传
10、输。通过ZIF连接器及50欧姆天线连接器可分别连接SIM卡座和天线。图5 GPRS模块MC35i主要特点:电源：单电源 3.3V 5.5V；频段：支持GSM900MHz和DCS1800MHz双频网络；发射功率：2W(GSM900MHz)和1W(DCS1800MHz)；SIM卡连接方式：外接；天线：由天线连接器连接外部天线；音频接口：模拟信号（麦克风，耳麦，免提手柄）；通讯接口：RS232（指令和数据的双向传送）；SIM卡操作电压：3V/1.8V；模块复位: 采用AT指令或掉电复位；模块提供AT命令集接口支持文本和PDU模式的短消息；最高支持14. 4k的非透明模式，接收速率可以达到86.20k
11、bps，发送速率可以达到21.5kbps；模块提供AT命令集，接口支持文本和PDU模式的短消息；工作模式有省电模式、空闲模式、通话模式。3.2 MC35i外围接口电路及基本工作原理MC35i的正常运行需要相应的外围电路与其配合。MC35i的40个引脚通过ZIF连接器分别于电源电路、启动与关机电路、数据通信电路、语音通信电路、SIM卡电路、状态指示灯电路等连接，如图6所示。图6 MC35i外围接口电路3.2.1 状态指示灯电路同步信号SYNC在方案中用于控制状态指示灯。下面给出状态灯的工作模式及当前模块所处的工作状态如表1所示。根据状态灯的显示我们可以清晰的知道MC35i当前的工作状态。状态指示
12、灯电路的硬件实现电路见图7。表1 SYNC驱动Q2开关状态状态灯模式工作状态常灭MC35i模式处于关闭或睡眠模式或仅充电模式600ms亮/600ms灭未插SIM卡或正在搜索网络或正在进行用户验证或网络注册中75ms亮/3s灭已登陆到网络、无电话呼入75ms亮/75ms灭75ms亮/3s灭一个或多个GPRS上下文被激活闪烁GPRS数据传输中，闪烁间隔0.5s常亮已建立语音链接已建立数据链路或正在断开连接图7 状态指示灯电路3.2.2 SIM卡电路MC35i的基带处理器集成了一个与ISO 7816-3 IC Card标准兼容的SIM接口。为了适合外部的SIM接口，该接口连接到ZIF连接器。GSMI
13、1.11为SIM卡预留5个引脚的基础上，MC35i在ZIF连接器上为SIM卡接口预留了6个引脚，所添加的CCIN引脚用来检测SIM卡支架中是否插有SIM卡。当插入SIM卡，该引脚置为高电平，系统方可进入正常工作状态。但是目前移动运营商所提供的SIM卡均无CCIN引脚，所以在设计电路时应将ZIF上的CCIN与CCVCC相连。两种接口的定义如图8所示。图8 SIM卡接口定义比较3.2.3 串口电路RS232接口有Male和Female两种。DTE如我们的嵌入式系统，计算机，终端等等通常是Male的，而DCE如GPRS模块等的MODEM通常用Female接口。DCE为用户设备（指的是DTE）提供接入
14、网的连接点。MC35i的串口是遵循ITU-T RS-232数据交换电路DCE标准的串行异步发送和接收口，电路采用CMOS电压（2.65V）。所有的ZIF接口上的RS-232信号都是低电平有效（low active）。RS232的引脚定义如表2所示（引脚的名称中表示方向的词如Transmit和Receive等，都是从DTE的角度定义的）要完成基本的串行通信功能，实际上只需要RXD、TXD和GND即可，但由于RS-232-C标准定义的高、低电平信号与GPRS模块定义的TTL/CMOS电路所定义的高低电平完全不同，LVTTL的标准逻辑“1”对应23.3V电平，标准逻辑“0”对应0V0.4V电平，而R
15、S-232-C标准采用负逻辑方式，标准逻辑“1”对应-5V-15V电平，标准逻辑“0”对应+5V+15V电平，显然，两者间要进行通信必须经过电平转换，我们所用的转换芯片是ST3232。表2 RS232的引脚定义引脚名称功能信号特征1DCD载波数据检测当线路为“off-hook”时，默认为“0”，表示连接已经建立，等待接受远程modem来的应答tone。如果没有接受到应答tone，则DCD转为“1”。2RXD数据接收当DTE接收到来自DCE的数据是才激活，否则默认状态是“1”即负电平。在DCE端可能被称为TXD。3TXD数据发送当有数据从DTE发送到DCE时激活，否则默认状态是“”。在DCE端可能称为RXD。4DTR数据终端准备好正常工作时默认保持为“0”，即正电平。当DTR为状态“”时表明modem转为“on-hook”而中止连接。5GND地6DSR数据设备准备好当以下三个条件满足时：1.modem连到工作的电
