Cortex-M3在智能家居中的應(yīng)用

?Cortex-M3?是一個32位的處理器內(nèi)核，具有速度快、功耗低、價格便宜等特點，廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。在?智能家居?領(lǐng)域，Cortex-M3被用于設(shè)計智能家居監(jiān)控終端和控制子網(wǎng)，以實現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的遠程監(jiān)控和控制功能。

Cortex-M3在智能家居中的應(yīng)用

?智能家居監(jiān)控終端設(shè)計?：基于Cortex-M3微處理器的智能家居監(jiān)控終端設(shè)計，通過將智能家居系統(tǒng)中的信息與控制中心設(shè)備設(shè)計成web服務(wù)器，用戶可以通過遠程計算機上的瀏覽器軟件對嵌入式Web服務(wù)器進行訪問，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控。這種設(shè)計的關(guān)鍵在于設(shè)計能夠接入Internet的嵌入式控制終端?1。

?感知與控制子網(wǎng)設(shè)計?：在物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)中，不再按功能劃分為各個獨立的子網(wǎng)，而是按傳輸接口形式和信息流的走向融合為感知/控制子網(wǎng)。NXP Cortex-M3/M0系列ARM微處理器因其優(yōu)異性能和低廉價格，為這樣的設(shè)計提供了良好條件?2。

Cortex-M3的技術(shù)特點和優(yōu)勢

Cortex-M3采用哈佛結(jié)構(gòu)，擁有獨立的指令總線和數(shù)據(jù)總線，這使得取指與數(shù)據(jù)訪問可以并行進行，從而提升了性能。此外，Cortex-M3采用了Tail-Chaining中斷技術(shù)，能夠減少中斷處理的時間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度?3。這些特性使得Cortex-M3非常適合用于需要高速處理和低功耗的智能家居系統(tǒng)中。

在真正的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)中，不應(yīng)當再按功能劃分為各個獨立的抄表網(wǎng)、環(huán)境網(wǎng)、電控網(wǎng)、安防網(wǎng)等,而只是按傳輸接口形式和信息流的走向，融合為感知/控制子網(wǎng)。對于具有多主競爭總線接口的模塊(如CAN、ZigBee等)，融合為感知/控制子網(wǎng);而對眾多僅具單主總線的RS485模塊，則按信息流的流向，融合成循環(huán)檢測的感知子網(wǎng)和點控的控制子網(wǎng)。NXP CortexM3/M0系列ARM微處理器的優(yōu)異性能，低廉的價格為這樣的設(shè)計開發(fā)提供了良好的條件。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)如圖1所示，它實際上是一個分布式測控系統(tǒng)。

它的上層管理網(wǎng)是以太網(wǎng)，用于在廣闊的互聯(lián)網(wǎng)范圍內(nèi)信息共享，其上連接有各種管理、存儲及遠程控制設(shè)備。

它的下層，不再以功能(環(huán)境、抄表、安防、電控等)切割分塊，而是按信息流走向整合形成感知/控制網(wǎng)。感知網(wǎng)以多主或輪詢的方式向上傳送信息，而控制網(wǎng)則可采用一主多從方式向下傳送控制命令。

在感知/測控網(wǎng)中，按媒體連接型式則有RS485總線網(wǎng)、CAN總線網(wǎng)、ZigBee總線網(wǎng)、WiFi總線網(wǎng)等。

連接上、下層的是多個嵌入式通信服務(wù)器。通信服務(wù)器是智能家居中的核心模塊，它在整個智能家居系統(tǒng)中不僅起到了上下信息傳遞的作用，而且進行數(shù)據(jù)融合、分類以及安全管理，是感知網(wǎng)的管理主機。

2 嵌入式通信服務(wù)器

嵌入式通信服務(wù)器是智能家居中的核心模塊，選用的是NXP公司CortexM3系列中的LPC1768處理器。LPC1768處理器是一個低功耗，具有強大功能的32位ARM芯片。

LPC1768單片機內(nèi)部包含有一個功能齊全的10/100 Mbps以太網(wǎng)RMII接口控制器，它可以通過RMII接口(通常簡化為媒體獨立接口MII)外接一個物理接口收發(fā)器(PHY),再接上網(wǎng)絡(luò)變壓器和RJ45接口,就組成了一個完整的以太網(wǎng)通信接口，如圖2所示。

PHY芯片選用美國國家半導(dǎo)體公司的DP83848，這是10/100 Mbps單路物理層器件功能，用于為LPC1768芯片提供物理層接口。

以太網(wǎng) MAC，通過RMII 接口與片外PHY 相連。如圖2所示，LPC1768的以太網(wǎng)模塊使用RMII(簡化MII的媒體獨立接口)來連接外部PHY 芯片(DP83848)。其中有8根RMII的串行數(shù)據(jù)總線，還有2根MIIM(媒體獨立接口管理)接口管理控制線，從而實現(xiàn)與片外以太網(wǎng)PHY 之間的連接。DP83848的復(fù)位信號可以共用LPC1768的復(fù)位信號。

以太網(wǎng)RMII 的引腳信號如下：

① ENET_TX_EN為輸出發(fā)送數(shù)據(jù)使能;

② ENET_TXD[1:0]為輸出發(fā)送數(shù)據(jù)，2 位;

③ ENET_RXD[1:0]為輸入接收數(shù)據(jù)，2 位;

④ ENET_RX_ER為輸入接收錯誤;

⑤ ENET_CRS為輸入載波偵聽/數(shù)據(jù)有效;

⑥ ENET_REF_CLK/ENET_RX_CLK為輸入?yún)⒖紩r鐘用于外部PHY的媒體獨立接口管理(MIIM)的信號;

⑦ ENET_MDC為輸出MIIM 時鐘;

⑧ ENET_MDIO為輸入/輸出MI 數(shù)據(jù)輸入和輸出。

DB83848通過TD+、TD-、RD+、RD-經(jīng)隔離變壓器、RJ45口輸出，L、R驅(qū)動LED，指示輸入、輸出狀態(tài)。

3 CAN接口及CAN感知網(wǎng)

在智能家居中采用CAN感知/控制子網(wǎng)，這里面有CAN以太網(wǎng)關(guān)、CAN路由器、CAN感知/控制模塊。由于CAN以太網(wǎng)關(guān)和CAN路由器需要以太網(wǎng)控制器(MAC)和2個CAN控制器，所以CAN以太網(wǎng)關(guān)、CAN路由器均由CortexM3的LPC1768來承擔，而CAN感知/控制模塊則由CortexM0的LPC11C12/24來承擔。

3.1 CAN以太網(wǎng)關(guān)、CAN路由器

如圖3所示，LPC1768內(nèi)部集成有CAN控制器，外接CAN收發(fā)器就構(gòu)成了嵌入式通信服務(wù)器的CAN通信接口，所以能很方便地構(gòu)成以太CAN網(wǎng)關(guān)。又由于LPC1768內(nèi)部集成有2個CAN控制器，因而它支持2個CAN子網(wǎng)，能很方便地構(gòu)成CAN路由器。

LPC1768的CAN控制器支持控制局域網(wǎng)(CAN)，提供了一個完整的CAN 協(xié)議(遵循CAN 規(guī)范V2.0B)實現(xiàn)方案，因而它能很方便地兼容/混用過去的SJA1000 CAN系統(tǒng)。

3.2 CAN總線感知/控制模塊

CAN感知/控制模塊均選用基于CortexM0的LPC11C14/24。LPC11C14內(nèi)部集成有一個CAN控制器,而LPC11C24是在LPC11C14的基礎(chǔ)上集成了一個CAN收發(fā)器TJF1051。采用LPC11C14/24比過去采用51單片機+TJF1050+SJA1000方式，不僅性能大大提高，而且占用PCB板面積大大減小，芯片材料成本減少了40%。

新舊系統(tǒng)混用最好都采用同樣的CAN收發(fā)器。由于原CAN系統(tǒng)中CAN收發(fā)器芯片采用的是TJF1050，而TJF1051是與TJF1050高度兼容，因而以LPC11C14/24構(gòu)成的CAN模塊和采用51單片機+TJF1050+SJA1000的CAN模塊高度兼容/混用。

4 RS485接口及RS485感知網(wǎng)

在原智能家居系統(tǒng)中有不少的感知網(wǎng)采用RS485總線，而且采用的是80C51系列的9位多機通信方式。在新系統(tǒng)中選用CortexM0/M3后，也完全可兼容/混用原系統(tǒng)。LPC11C14的CAN接口如圖4所示。

4.1 LPC812M101FDH20的感知/控制網(wǎng)從機模塊

LPC812M101FDH20是NXP CortexM0系列中的20引腳廉價芯片，它有16K閃存、4K SRAM和3個串口。如圖5所示,LPC812M101FDH20通過開關(guān)矩陣分配引腳充當U0/U2/U3_TXD、U1/U2/U3_RXD、U1/U2/U3_RTS，連接MAX485即構(gòu)成了RS485通信接口。在軟件中，通過CFG配置寄存器的第3、2位設(shè)置成10(9位通信模式)，這就成了兼容于MCS51的多機通信方式(即可進行軟件地址檢測和收發(fā)器方向控制的RS485通信)。

由于LPC800系列微處理器串口的9位通信方式中的第9位僅能進行奇偶校驗設(shè)置，不能人為設(shè)置1/0(地址/數(shù)據(jù))，所以它只能在RS485感知/控制網(wǎng)中充當從機。

在充當從機使用中,先要將USART CTRL寄存器第2位(ADDRDET使能地址檢測模式)設(shè)置為1，這時僅對主機發(fā)來的地址數(shù)據(jù)，產(chǎn)生一個接收數(shù)據(jù)中斷。軟件隨后便檢查接收地址數(shù)據(jù)，判斷是否是本機地址。如果是，則軟件會清零ADDRDET位，所有后續(xù)輸入數(shù)據(jù)均會被正常接收處理。在一次輪詢應(yīng)答響應(yīng)完后，再將USART CTRL寄存器第2位(ADDRDET使能地址檢測模式)設(shè)置為1，等待下次輪詢本機。

LPC800的串口由于在設(shè)置波特率時,還可使用小數(shù)分頻器，使其在各種晶振下均能獲得精準波特率;同時，它采用3次采樣接收，接收數(shù)據(jù)是3個樣本“投票”中的2個，當有 1個樣本與其他不同時，會將USART狀態(tài)寄存器第“15”位設(shè)置狀態(tài)標志(接收噪聲中斷標志)，從而大大降低了誤碼率。