基于E5122的家庭網(wǎng)絡控制系統(tǒng)
關鍵詞：E5122 以太網(wǎng) 控制系統(tǒng) RTL8019AS
引 言
隨著信息技術、計算機網(wǎng)絡技術的迅猛發(fā)展和廣泛普及，越來越多的家庭通過Internet或Intranet來獲得信息和資訊。作為現(xiàn)代化的智能化住宅小區(qū)，向社區(qū)內的廣大住戶提供寬帶多媒體綜合信息資訊服務，是智能化住宅的重要體現(xiàn)，也是信息社會發(fā)展的客觀需要。建設部住宅產(chǎn)業(yè)辦公室提出了我國住宅智能化的概念，即住宅小區(qū)智能化是利用4C(計算機、通信、網(wǎng)絡、自控、IC卡)技術真正實現(xiàn)遠程家庭的智能控制，通過有效的傳輸網(wǎng)絡,將遠程信息服務與管理、物業(yè)管理與安防、住宅智能化系統(tǒng)集成,為住宅小區(qū)的服務與管理提供高技術的智能化手段,以期實現(xiàn)快捷高效的超值服務管理,提供安全舒適的家居環(huán)境。
1 系統(tǒng)簡介
家庭智能控制系統(tǒng)的開發(fā)基于短信息技術、自動控制技術、計算機技術、數(shù)字通信技術及加密技術。系統(tǒng)利用相關的網(wǎng)絡、計算機系統(tǒng)和控制器，以無線網(wǎng)絡和有線網(wǎng)絡為基本控制指令和數(shù)據(jù)信息傳送方式，實現(xiàn)手機無線遙控和數(shù)據(jù)傳送。通過專設的短信控制中心和服務中心，為家庭和小區(qū)管理提供全方位的數(shù)字化服務。家庭智能控制系統(tǒng)具有手機遠程控制、自動報警、呼叫社區(qū)服務、物業(yè)管理等功能，還可以根據(jù)用戶群的需要向生活連網(wǎng)服務、智能辦公等方向無限擴展。
設備接入Internet/Intranet網(wǎng)，原則上講，只要實現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議就可以。TCP/IP協(xié)議及其應用是一項復雜的系統(tǒng)工程。該協(xié)議的建立經(jīng)過了縝密的設計過程，全套協(xié)議的實現(xiàn)是比較復雜的。在嵌入式系統(tǒng)中，實現(xiàn)該協(xié)議有一定的難度。在實際的應用中，如果要完全實現(xiàn)該協(xié)議，比較合理的方案是直接利用集成的TCP/lP協(xié)議的芯片，將系統(tǒng)中央控制單元和TCP/IP協(xié)議處理單元進行分離。
另一方面，實現(xiàn)其它幾個方案中，可以對原有的TCP/IP進行精簡，保留實際應用系統(tǒng)所需要的一些協(xié)議，使得核心芯片既能實現(xiàn)網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸，又可以完成監(jiān)控任務。對原有的TCP/IP協(xié)議迸行精簡，可以大大減輕系統(tǒng)實現(xiàn)的難度，并提高系統(tǒng)的效率和可靠性。
圖1
2 系統(tǒng)工作原理
該系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。
家庭中的三表度數(shù)作為采集信號，通過采樣保持電路處理以后，送入單片機進行處理。單片機把數(shù)據(jù)通過串口送入E5122網(wǎng)絡協(xié)議處理器中進行打包處理，將數(shù)據(jù)打包成TCP/IP協(xié)議包，該數(shù)據(jù)包通過RTL8019AS以太網(wǎng)控制器發(fā)送到以太網(wǎng)上。采用CPLD芯片EPM7128S作為譯碼和驅動電路。在本應用場合，家庭用戶終端對數(shù)據(jù)交換的速率要求不高，在1MB/s以下。所以可以采用一般的高速單片機，寫入TCP/IP協(xié)議，這樣既可以滿足要求，價格又能讓用戶接受。
3 芯片介紹
(1)網(wǎng)絡接口控制器RTL8019AS
RTL8019AS是Realtek公司高集成度的專用以太網(wǎng)接口芯片，支持EthernetII、IEEE802.3、10Base5、10Base2、10BaseT，支持UTP、AUI&BNC、PnP自動探測模式，并且內嵌16KB SRAM用于收發(fā)緩沖，降低了對主處理器的速度要求。支持8位、16位數(shù)據(jù)總線模式；支持跳線、無跳線模式；有全雙工的通信接口，可以通過交換機在雙絞線上同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，使帶寬從10M增加到20M，是用來進行以太網(wǎng)通信的理想芯片。
RTL8019AS有3種工作方式：
① 跳線方式，網(wǎng)卡的I/O和中斷由跳線決定；
② 即插即用方式，由軟件進行自動配置plug and play；
③ 免跳線方式，網(wǎng)卡的I/O和中斷由外接的93C46里的內容決定。
網(wǎng)卡使用哪種方式由RTL8019AS的第65腳JP決定。65腳JP 為高電平時(接到VCC或通過一個10kΩ的電阻上拉)使用跳線方式；RTL8019AS引腳懸空時，輸入狀態(tài)為低電平(其它引腳也是這樣，懸空的輸入腳電平為低電平，里面有一個100kΩ的下拉電阻)。64腳AUI，該引腳決定使用AUI還是BNC接口。我們用的網(wǎng)卡接口一般是BNC的，很少用AUI。BNC接口方式支持8線雙絞或同軸電纜。高電平時使用AUI接口，懸空為低電平，使用BNC接口。IOCS16B引腳用電阻下拉為低電平，選擇8位數(shù)據(jù)總線模式，省去BROM模塊，只需8根數(shù)據(jù)線SD0~SD7?；刂愤x擇引腳IOS3、IOS2、IOS1、IOS0空接為低電平。因為芯片內部都接有下拉電阻，此時I/O基地址為300H，所以地址線SA8、SA9接高電平。又因為寄存器的地址偏移量為00H~1FH共32個，所以只用了地址線SA0~SA4，其余地址線接地即可。芯片的中斷線由IRQS2、IRQS1、IRQS0決定，全部空接時中斷線為INT0，8根中斷線7根空接。SMEMRB和SMEMWB引腳決定網(wǎng)絡接口類型時，10BaseT、10Base2或10Base5采用懸空方式時為低電平。即為自動選擇方式。AUI引腳決定使用AUI還是BNC接口，懸空時為低電平。使用BNC接口，支持雙絞線或同軸電纜，所使用的引腳有：TPIN+、TPIN－、TPOUT+、TPOUT－，接入網(wǎng)卡耦合隔離變壓器中，利用RJ45插頭實現(xiàn)與網(wǎng)絡的連接。
(2)TCP/IP協(xié)議解析芯片E5122
E5122是上海精致科技公司研制的飛虹系列網(wǎng)絡協(xié)議處理器。外部晶振22.1184MHz，工作電壓5V。以硬件實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，提供API接口，極大地方便了使用，由外部集成 RAM。對用戶端以I2C協(xié)議或RS-232接口方式進行通信，通信接口支持帶I2C接口MPU，為不帶I2C接口MPU提供I2C驅動程序。E5122與網(wǎng)絡的接口為以太網(wǎng)接口，通過以太網(wǎng)控制芯片RTL8019連接到以太網(wǎng)。串行速率最大達115.2Kbps，達到真正實時傳送。
E5122 是完成TCP/IP 協(xié)議的專用芯片，用以實現(xiàn)以太網(wǎng)和串口之間的協(xié)議轉換?？梢詾榇谠O備提供完善的網(wǎng)絡通信解決方案，只需外接MPU。本系統(tǒng)采用的MPU型號是：89C52單片機。單片機程序中，只需要簡單調用API函數(shù)即可實現(xiàn)。E5122結構如圖2所示。設備做為服務器端，即首次連接網(wǎng)絡時，客戶機端主動請求連接服務器端作為被動端監(jiān)聽，并接收連接的局域網(wǎng)內連網(wǎng)接收遠端客戶的主動查詢訪問，并將設備信息返回給客戶；同樣，還可以作為客戶機主動和局域網(wǎng)內，或Internet上的主機進行通信。 E5122 芯片外部使用32KB RAM，用來作為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)緩沖，使用256字節(jié)(最少為256字節(jié))的串行EEPROM(I2C總線接口)存儲系統(tǒng)參數(shù)。用戶通過串口與E5122 連接實現(xiàn)通信。E5122 完成TCP/IP 協(xié)議和串口通信協(xié)議。支持普通串口和用戶設備進行交互，通過外接RTL8019AS 以太網(wǎng)控制芯片來實現(xiàn)網(wǎng)絡連接。
當系統(tǒng)初次運行時，E5122會對RTL8019AS進行初始化工作，并設置其工作模式以及中斷源等。
當RTL8019AS 接收到數(shù)據(jù)時，會觸發(fā)E5122 中斷。此時E5122 通過A8~A13 和A15 來選擇RTL8019AS的寄存器地址和存儲器地址，控制和實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取。當有數(shù)據(jù)通過E5122 發(fā)送給RTL8019AS 時，通過地址線設置RTL8019AS 相應寄存器進行數(shù)據(jù)發(fā)送。
4 硬件電路設計
在具體使用中，由于單片機本身的限制，進行了一系列的簡化設計。采用跳線工作方式，JP引腳接高電平； E5122與RTL8019AS接口用于傳輸網(wǎng)絡數(shù)據(jù)。
當系統(tǒng)初次運行時，E5122 會對RTL8019AS 進行初始化工作，設置RTL8019AS 的工作模式以及設置中斷源等。當RTL8019AS 接收到數(shù)據(jù)時，會觸發(fā)E5122 中斷，此時E5122 通過A8~A13 和A15 來選擇RTL8019AS的寄存器地址和存儲器地址，控制和實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取。
當有數(shù)據(jù)通過E5122 發(fā)送給RTL8019AS 時，通過地址線設置RTL8019AS 相應的寄存器進行數(shù)據(jù)發(fā)送。
接口電路圖如圖3所示。
5 應用中的幾個技術問題
在系統(tǒng)的實際應用過程中，要注意以下幾個問題。
(1)傳輸速度
在系統(tǒng)中，上位PC機與下位測控設備之間數(shù)據(jù)交換的速度，取決于以太網(wǎng)接口模塊的傳輸速度。而以太網(wǎng)模塊的傳輸速度取決于以太網(wǎng)接口芯片的速度、單片機的處理速度，以及和設備交換數(shù)據(jù)的方式。
在一般的測控系統(tǒng)中，要傳送的僅僅是控制命令和測量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量不大。模塊與測控設備之間采用RS-232、RS-485、CAN等串口方式連接，其通信速率僅幾十kb/s或上百kb/s。這時以太網(wǎng)接口芯片的速度(10Mb/s)和微處理器的速度就遠大于串口通信速度。因此傳輸速率主要就取決于串口的通信速率。
當要傳送的數(shù)據(jù)速率要求很高時(如圖像)，它與測控設備之間就不能再采用串口連接，而必須采用并口連接，這時傳輸速率就取決于微處理器的處理速度。此時，要選用一些高速的單片機，如P89C52RX系列或SX系列等單片機。
(2)IP地址
以太網(wǎng)測控系統(tǒng)中，測控設備通過該模塊進入以太網(wǎng)，就必須確定自己的IP地址。IP地址的獲得有兩種方式：有動態(tài)獲得IP地址和固定分配IP地址。由于E5122不支持RARP反向地址解析協(xié)議，因此無法獲得動態(tài)IP地址，只能使用固定IP地址。
(3)安全控制
在小型封閉的局域網(wǎng)中進行測控，安全問題不大，但在廣域網(wǎng)甚至因特網(wǎng)上進行測控，安全控制就至關緊要。為此，采用48~128位的用戶密碼來保護測控設備的安全。合法用戶可以修改、設定自己的密碼。網(wǎng)絡非法用戶即使竊取了IP地址，沒有用戶密碼，也無法操作設備。
(4)實時性問題
測控系統(tǒng)在很多場合都要強調它的實時性，但以太網(wǎng)不是一個實時系統(tǒng)。由于它的載波偵聽碰撞檢測(CSMA/CD)通信方式，決定了以太網(wǎng)中IP包的傳輸會有延遲，甚至丟包，這是利用以太網(wǎng)組成分布式測控系統(tǒng)最大的缺點。但是，現(xiàn)在以太網(wǎng)的速度越來越快，百兆網(wǎng)甚至千兆網(wǎng)，或在一些小型封閉的局域網(wǎng)中，網(wǎng)絡的繁忙程度大為減輕，IP包幾乎沒有碰撞，傳輸延遲、丟包現(xiàn)象就大大減小，不會影響測控系統(tǒng)的正常工作。同時，在系統(tǒng)的網(wǎng)絡層之上，可增加應答協(xié)議，丟包的問題就可基本克服。
(5)連接方式
該模塊有兩個插座：一個是RJ-45插座，可用雙絞線直接連接到以太網(wǎng)；另一個是25腳插座，內含RS-232或RS-485總線接口。
結 語
隨著21世紀的到來，人類逐步跨入了信息時代。隨著科技的進步以及對生活質量要求的不斷提高，人們對家電的選擇和使用，已經(jīng)從只關心家電的單項功能轉向追求家電品位和控制的便捷性。信息技術和網(wǎng)絡化技術的發(fā)展，為家用電器居家環(huán)境集中控制和遠程遙控提供了可能。將信息技術與家電控制技術相融合，在更大程度上實現(xiàn)家庭生活的信息化和自動化，滿足人們舒適、高節(jié)奏的生活需要，使所有的消費電子產(chǎn)品具有了連入網(wǎng)絡的能力，正是消費類電子產(chǎn)品下一步的發(fā)展趨勢。家電的網(wǎng)絡化將給已趨飽和的家電消費市場帶來新的需求。對這方面的進一步研究，使得人們的生活方式、工作方式以及思維方式都發(fā)生了巨大的變化；同時也刺激了人們對各種數(shù)據(jù)源和網(wǎng)絡服務需求的日益增長，為信息社會注入新的生機和活力，具有重要的理論、實用和商用價值。
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