基于多媒體處理器VG2的智能家居控制器設計

    現(xiàn)代社會家庭以家居的安全、舒適、便利和多元化信息的生活環(huán)境作為一個理想目標，20世紀90年代以后，網(wǎng)絡化智能家居的出現(xiàn)，實現(xiàn)了在家庭范圍內(nèi)信息設備、通信設備、娛樂設備、家用電器、照明設備、家庭求助報警、家庭安防及水電氣熱表(四表三防)等家居設備的遠、近程網(wǎng)絡互連，為用戶提供了服務和自主管理能力。本文采用多媒體處理器Virgine G2(簡稱“VG2”)作為主控芯片設計了一款智能家居控制器，以家庭人居習慣的音視設備為中心，以電視與遙控器為人機交互界面，實現(xiàn)家庭住宅的自主管理和智能化服務。

1 智能家居控制器設計
1.1 智能家居控制器總體結構
    智能家居控制器采用家庭電視顯示，由遙控器、面板自帶鍵盤控制，將信息設備、通信設備、家用電器、安防系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、四表自動抄表系統(tǒng)等獨立單元的家居設施跨平臺地有機結合，利用網(wǎng)絡和電話實現(xiàn)遠、近程操作控制智能化。圖1是智能家居控制器系統(tǒng)基本結構圖。

1．2 智能家居控制器功能
    智能家居控制器的沒計原則以人居習慣為出發(fā)點，最大限度地方便用戶使用；以控制器為核心，接口電路易于安裝和擴展。
    控制器提供4路音視頻輸入切換接口，在主控制芯片VG2的控制下，對輸入信號進行切換，并可對視頻輸入信號進行圖文疊加處理輸出到電視顯示器上。家居控制器以設置的紅外入侵、門磁窗磁、門鈴門禁和氣體傳感器動作信號為依據(jù)，為用戶提供家庭安全防范。用戶可手動設定，或遠程管理家庭聲光設備和控制家用電器的運行。
    根據(jù)網(wǎng)絡接入的不同，家居控制器可運行在3種模式(家庭自主系統(tǒng)、小區(qū)服務器網(wǎng)絡系統(tǒng)和TCP/IP寬帶網(wǎng)絡系統(tǒng))下，為用戶提供以下功能。
    ①家庭理財：家庭水費、電費、煤氣費和供熱費的記錄顯示和傳輸；家庭日常支出的錄入和顯示；家庭月、季、年支出累計。
    ②家政服務：家庭對小區(qū)物業(yè)公司的鐘點工(清潔、保姆、護理等)，醫(yī)護人員，水電氣維修工，送飯、送貨人員的預約、召喚和呼救。
    ③家庭安防：門禁(可視對講)控制操作；家庭安防系統(tǒng)(紅外入侵報警、窗玻璃碎報警等)預警設置和聲光／遠程報警。
    ④家庭電子保姆：可預置(或通過電話遠程控制)電飯煲、微波爐、洗衣機、熱水器等家電的開關時間。
    ⑤家庭信息平臺：直接收看電視節(jié)目；轉(zhuǎn)接播放VCD、DVD；完成數(shù)字電視接收、轉(zhuǎn)換和高清晰電視處理播放；實現(xiàn)網(wǎng)絡接入等。
    ⑥物業(yè)管理：小區(qū)發(fā)布公共信息；各戶信息通告等。
1．3 接口設計
    根據(jù)系統(tǒng)功能設計，家居控制器提供了豐富的功能接口。
    音視頻輸入接口：接入有線電視、DVD／VCD、攝像頭等信號。在模擬電子開關的控制下可根據(jù)需要進行切換控制。
    音視頻輸出接口：通過視頻利用放大器MAX4310實現(xiàn)4路復合視頻信號的驅(qū)動功能，為電視機提供聲音和視頻圖像信號。
    網(wǎng)絡輸入／輸出接口：接入網(wǎng)絡，提供網(wǎng)絡數(shù)據(jù)服務，采用芯片RTL8019AS，全雙工，收發(fā)速率可達10 Mbps。
    鍵盤接口：外接面板20鍵鍵盤，用戶通過鍵盤或遙控器操作選擇相應功能。
    USB接口：接入優(yōu)盤，提供數(shù)據(jù)存儲功能、功能擴展預留；以ISPll61A1為核心，提供2路下行端口，1路上行端口，遵循USBv2．O規(guī)范。
    RS485接口：接入多功能集中／遠傳自動抄表系統(tǒng)，可直接與數(shù)據(jù)采集器相連接，實現(xiàn)對4路基表輸出的脈沖信號實時采集、自動處理和數(shù)據(jù)保存。
    I／O接口：提供8路輸入和8路輸出，接收來自紅外入侵探測器、門磁窗磁、門鈴門禁和多種傳感器的安防警示系統(tǒng)的信號，為系統(tǒng)報警提供依據(jù)；輸出控制信號，實現(xiàn)家電控制、聲光控制和報警控制。
    市話接口：串接在外線和普通電話之間，接入市話網(wǎng)，接收電話控制指令，可自動撥打預設電話報警，亦可直接與110聯(lián)網(wǎng)報警。采用MT8888負責DTMF信號的收發(fā)，使用ISD1420錄入用戶的地址信息。

2 關鍵技術及其實現(xiàn)方案
    VG2是ADChips公司推出的一款內(nèi)嵌32位微處理器的多媒體處理器，集數(shù)據(jù)、視頻、音頻處理為一身。內(nèi)部包括1個基于3維圖形算法的2維圖形加速器VR0_2D，還嵌有1個32通道的8/16位音頻引擎，以及視頻DAC、DRAM控制器、DMA、定時器、雙串口等多種外設。
    家居控制器的主要功能單元包括：視頻疊加、數(shù)據(jù)傳輸與存儲、市活控制和抄表系統(tǒng)。其中，抄表系統(tǒng)采用“多用途集中遠傳抄表系統(tǒng)”，通過R8485網(wǎng)絡與主控模塊相連接，硬件上無需另行設計。
2．1 視頻疊加單元
    視頻疊加單元實現(xiàn)圖形文字與視頻信號的疊加(如操作提示信息與電視信號的疊加等)。主控芯片VG2對圖像數(shù)據(jù)進行處理，將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RGB信號輸出；同時帶有行、場等各種同步信號，為視頻疊加電路提供圖像RGB信號，以實現(xiàn)與外部視頻信號的疊加。

    視頻疊加單元采用東芝公司的視頻疊加芯片TBl238和三星公司的視頻編碼芯片KA2198實現(xiàn)視頻疊加和編碼。TBl238是基于I2C總線的彩色電視信號處理芯片，可以實現(xiàn)外部視頻信號解碼、同步提取、三基色信號疊加等功能；片內(nèi)含有視頻與色度信號處理以及掃描小信號產(chǎn)生電路，集成基帶延遲線，以及音、視頻開關電路，可單片實現(xiàn)PAL/NTSC制信號的解碼，輸出R、G、B三基色信號。視頻系統(tǒng)的RGB編碼采用KA2198單片電路，支持PAL制式和NTSC制式。KA2198包含了R-Y／B-Y矩陣、調(diào)節(jié)器、脈沖產(chǎn)生器、標準儀、內(nèi)嵌的色度BPF(帶通濾波器)和亮度延遲線、使用S-VHS系統(tǒng)的Y／X輸出。
    視頻疊加采用復合視頻信號彩色解碼后疊加法。外部視頻信號由TBl238解碼為RGB三基色信號，與VG2輸出的RGB信號分別疊加；得到疊加后的RGB信號，再由KA2198進行視頻編碼，輸出含有疊加圖形的復合視頻信號。電路組成如圖2所示。
2．2 市話控制單元
    市話控制單元利用住宅電話資源，串接在外線和用戶的普通電話機中間，平時不影響電話正常使用。它由外圍摘掛機控制電路、振鈴檢測電路、DTMF收發(fā)電路、語音錄放電路等構成。
    采用MT8888為核心，接收和發(fā)送DTMF全部16個信號。MT8888發(fā)送部分采用信號失真小、頻率穩(wěn)定性高的開關電容式D／A變換器，接收部分用于完成DTMF信號的接收、分離和譯碼，并以4位并行二進制碼的方式輸出；可調(diào)整雙音頻模式的占空比，能自動抑制撥號音和調(diào)整信號增益，帶有標準的數(shù)據(jù)總線，與TTL電平兼容。采用VG2微控制器進行編程控制，可實現(xiàn)通過DTMF收發(fā)電路撥出電話號碼進行電話通告和報警，以及接收遠端的用戶指令對家庭設備進行相應的操作。
    選用的數(shù)字語音芯片為ISDl420，具有先進的模擬／數(shù)字語音存儲技術，音質(zhì)好，無需A／D轉(zhuǎn)換，可錄制20 s的語音信息，可分段存儲信息，地址總線與單片機接口；零功率信息存儲方式，斷電情況下，信息可保留10年以上；易于使用，可隨意改變錄音內(nèi)容，錄放次數(shù)達10萬以上。
    在本系統(tǒng)中，ISD1420用于存儲用戶的地址語音信息(住宅的地理位置)，以便與110聯(lián)網(wǎng)。電話在模擬摘機后的系統(tǒng)提示語音和各種警情語音信息由VG2的音頻引擎輸出直接耦合到通話線路中。當接收到報警信號時，系統(tǒng)查詢系統(tǒng)參數(shù)，決定是否報警，采用何種方式報警(可以自動撥出用戶設置的報警電話，向用戶提供語音報警和現(xiàn)場聲響；也可通過電話指令啟動警號和其他執(zhí)行機構)，并決定主機進入布防還是撤防狀態(tài)。
    摘掛機電路通過控制一個電流源的通斷來實現(xiàn)。在掛機狀態(tài)下，電路上的電流可以忽略不計；摘機時的電流約為30 mA，同時可以保證電路具有較小的直流阻抗(<300Ω)和較大的交流阻抗(>600Ω)。振鈴時線路上為(90±15)V、(25±3)Hz、ls送、4s斷的蜂音(GB3380-1982)，將線路上的電壓與參考電壓比較，以檢測出振鈴信號。
    當有電話呼入時，在響鈴達到毆定次數(shù)后，家居控制器接管電話，給出語音提示，提供留言或輸入密碼進入家電控制(若3次輸入密碼不正確，則家居控制器將自動掛斷電話)。電話線路上的撥號音、回鈴音、忙音等信號是頻率為(450土25)Hz的交流電源，電平為(-10±3)dBm。置MT8888為呼叫進程處理模式．根據(jù)不同信號的計數(shù)值不同進行區(qū)分，可實現(xiàn)撥號音、忙音、回鈴音的檢測。市話控制單元結構如同3所示。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)存儲單元
    采用Realtek公司的以太網(wǎng)接口芯片RTL80l9AS和Philips公司的USB主從控制芯片ISP1161A1，為用戶提供網(wǎng)絡接入和數(shù)據(jù)存儲功能。
    ISPll6lAl是Philips公司生產(chǎn)的一種單片通用串行總線(USB)控制器，遵循USBv2．0規(guī)范，為USB HC提供了2個下行端口，為USB DC提供1個上行端口。每一個下行端口都有自己的過流(OC)檢測輸入端和電源轉(zhuǎn)換控制輸出端；上行端口有自己的VBUS檢測輸入端。內(nèi)建4 KB的FIFO緩存RAM供HC使用，2 462字節(jié)的FIFO緩存RAM供DC使用。在ISP116lAl作為USB主機時，根據(jù)硬件資源的分配，其數(shù)據(jù)地址是0x015000000，命令地址為0x01500002。HC的編程接口時序最小值不超過300ns，在VG2接14.318 MHz晶振、ISP1161外接12 MHz晶振時，可以滿足VG2和ISP1161協(xié)調(diào)工作的時序要求。
    RTL8019AS網(wǎng)絡接口芯片具有16位數(shù)據(jù)總線和24位地址總線，具有曼徹斯特編碼、沖突檢測和重發(fā)的功能；可以與很少的外圍電路一起完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，全雙工，收發(fā)速率可同時達到10Mbps；內(nèi)置16KB的SRAM用于數(shù)據(jù)收發(fā)的緩沖，支持跳線和免跳線，即插即用的上作模式。圖4是數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)存儲結構圖。RTL8019AS工作在跳線方式下，IOS3～IOSO為低電平，設置其I/O基地址為Ox300，RTL8019AS只對地址為0x300～0x31F的信號產(chǎn)生響應；IRQS2～IRQS0為低電平，INT0被選中作為中斷請求的輸出，PLl、PLO為低電平．設置具有自動檢測接口類型的功能。

3 軟件設計
    本文采用μC／OS-II(v2．51)嵌入式操作系統(tǒng)作為家居控制器的軟件平臺。μC/OS-II是一個占先式多任務操作系統(tǒng)，可固化、可裁剪，易于移植，具有良好的可靠性和穩(wěn)定性；支持多達64個任務，以及信號量、消息郵箱、消息隊列等多種進程問通信機制。由于沒有TCP/IP和USB協(xié)議棧，因此移植了1wIP和USB HOST協(xié)議來實現(xiàn)網(wǎng)絡通信和USR數(shù)據(jù)傳輸。
3．1 μC／OS-II在VG2上的移植
    采用Cygwin作為編譯平臺的EISC STUDIO集成開發(fā)環(huán)境，用戶可以在C程序中插入?yún)R編語言(可擴展指令集)，在移植過程中修改了OS_CPU．H和OS_CPU_C．C，4個與處理器相關的函數(shù)在OS_CPU_C．C中實現(xiàn)。堆棧的增長方向為向下，入口寬度為32位。初始化后數(shù)據(jù)結構依次為opt，ptos，pdata，0x0，task，0x3000，0xe，0x7，0x6，Ox5，0x4，0x3，0x2，0xl，0x0。OSStartHighRdy()在OS_CPU_C．C中的實現(xiàn)實例如下(限于篇幅，其他函數(shù)不再一一列出)：

3.2 1wIP協(xié)議在μC／OS-II上的移植
    1wIP是一個比較完備的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，有與操作系統(tǒng)接口的封裝層。1wIP的移植主要包括4個方面的工作：
    ◇處理與編譯器和硬件相關的include文件；
    ◇實現(xiàn)與操作系統(tǒng)相關的結構和函數(shù)；
    ◇實現(xiàn)lib_arch中的庫函數(shù)；
    ◇實現(xiàn)RTL8019As驅(qū)動程序。
    RTL8019AS與Ne2k芯片兼容，可參照ethernetif.c網(wǎng)絡驅(qū)動模板實現(xiàn)網(wǎng)絡設備的驅(qū)動。
3.3 USB主機系統(tǒng)的實現(xiàn)
    USB主機系統(tǒng)的實現(xiàn)主要是核心驅(qū)動程序(USBD)和主控制器驅(qū)動程序(HCD)的實現(xiàn)。HCD是協(xié)議棧最底層對主機控制器硬件和數(shù)據(jù)傳輸?shù)某橄螅蛏蠟閁SBD提供一個軟件接口(HCDI)，向下管理和檢測主機控制器硬件的行為。USBD是USB體系的中樞，用于檢測和管理USB系統(tǒng)的所有活動，向上接收USB設備驅(qū)動程序和用戶程序的各種命令和數(shù)據(jù)，向下把處理好的各種數(shù)據(jù)發(fā)送給HCD，并最終與設備進行通信。主機要支持設備類，就要建立特定的設備類協(xié)議，本設計實現(xiàn)了USB Mass Storage類，移植了ZLG／FS文件系統(tǒng)。
3．4 智能家居控制器的軟件設計
    軟件設計采用模塊化、與內(nèi)核相分離的原則，可保證程序具有良好的可移植性和可重用性，主要有網(wǎng)絡模塊、USB模塊、市話控制模塊、顯示模塊、鍵盤模塊和抄表模塊等。每個模塊都有相應的功能．其中一些模塊還包含一些子模塊，各個模塊相互獨立又相互聯(lián)系，它們的有機組合為用戶提供相應的功能。按照軟件所屬層次可劃分為3層：內(nèi)層是實時操作系統(tǒng)內(nèi)核；中間件層主要是芯片的驅(qū)動和通信協(xié)議的移植；外層是應用層，為用戶提供具體的功能應用。系統(tǒng)復位后，主程序首先對進行系統(tǒng)進行初始化，獲取系統(tǒng)狀態(tài)信息。VG2自帶看門狗設置，在程序正常執(zhí)行過程中每隔一段時間觸發(fā)看門狗電路，進行喂狗。

4 小結
    智能家居控制器是家庭內(nèi)外信息交換和家電控制平臺。本文采用ADChips公司的多媒體處理器VG2作為主控芯片，網(wǎng)絡的接入和USB技術的應用保證了大數(shù)據(jù)量傳輸和存儲的穩(wěn)定性以及功能的可擴展性，兼顧了傳統(tǒng)電話網(wǎng)絡遠程控制方式。智能家居控制器操作簡單，使用方便，達到了預期的設計目的。