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摘要：對家庭控制系統的方案、組成、硬件配置、軟件設計、工作原理、功能以及技術性能進行了論述。給出了通過單片機進行數據采集，并通過網絡協議處理器將數據打包成以太網協議包發送到以太網上，從而實現基于以太網的遠程控制方案。

關鍵詞：以太網；控制系統；RTL8019AS；E5122

1系統簡介

家庭智能控制系統的開發主要基于短信息技術、自動控制技術、計算機技術、數字通信技術及加密技術。該系統利用相關的網絡、計算機系統和控制器，以無線網絡和有線網絡為基本控制指令和數據信息傳送方式來實現手機無線遙控和數據傳送，并通過專設的短信控制中心和服務中心，來為家庭和小區管理提供全方位的數字化服務。家庭智能控制系統具有手機遠程控制、自動報警、呼叫社區服務、物業管理等功能。還可以根據用戶群的需要向生活聯網服務、智能辦公等方向無限擴展。

一般情況下，只要將設備接入Internet／Intranet網，原則上只要實現TCP／IP網絡協議就可以了。TCP／IP協議及其應用是一項復雜的系統工程。該協議的建立要經過縝密的設計過程，全套協議實現起來比較復雜。在嵌入式系統中實現該協議有一定的難度。在實際應用中，如果要完全實現該協議，比較合理的方案是直接利用集成的TCP／lP協議芯片將系統中央控制單元和TCP／IP協議處理單元進行分離。

另一方面，也可以對原有的TCP／IP進行精簡，而只保留實際應用系統所需要的一些協議，從而使核心芯片既能實現網絡的數據傳輸任務，又可完成對任務的監控。因為，對原有的TCP／IP協議進行精簡可大大減輕系統實現的難度，同時也可以提高系統的效率和可靠性。

圖1

2系統工作原理

圖1所示是一個基于E5122網絡協議處理器的家庭網絡控制系統的原理框圖。圖中，以家庭中的三表數據作為采集信號，并將其通過采樣保持電路處理以后送入單片機，然后由單片機把數據通過串口送入E5122網絡協議處理器中進行打包處理，以將數據打包成TCP／IP協議包，最后再把該數據包通過RTL8019AS以太網控制器發送到以太網上。本系統采用CPLD芯片EPM7128S作為譯碼和驅動電路。由于家庭用戶終端一般對數據交換的速率要求不高（在1MB／s以下），所以可采用一般高速單片機來寫入TCP／IP協議，這樣既可滿足功能要求，又能降低成本，用戶也容易接受這樣的價格。

3TCP／IP協議解析芯片E5122

E5122是上海精致科技公司研制的飛虹系列網絡協議處理器。其外部晶振頻率為22．1184MHz，工作電壓為5V?？蔀橛布崿FTCP／IP協議提供API接口，并可以I2C協議或RS－232接口方式與用戶端進行通信，其通信接口支持帶I2C接口的MPU，同時還為不帶I2C接口的MPU提供I2C驅動程序。E5122與網絡的接口為以太網接口，可通過以太網控制芯片RTL8019連接到以太網。其串行速率最大可達115．2kbps，并可實現真正實時傳送。

E5122是完成TCP／IP協議的專用芯片，可用以實現以太網和串口之間的協議轉換，該器件只需外接MCU就可為串口設備提供完善的網絡通信解決方案。本系統采用的MPU為89C52單片機，而且只需在單片機程序中簡單調用API函數即可。圖2所示是E5122的結構框圖。該設備可做為服務器端，即首次連接網絡時，客戶機端主動請求連接服務器端作為被動端進行監聽，同時接受局域網內聯網遠端客戶的主動查詢訪問，并將設備信息返回給客戶該設備同樣也可以作為客戶機主動和局域網內或In-ternet上的主機進行通信。E5122芯片外部使用32kBRAM來為以太網進行數據緩沖。它使用256字節（最少為256字節）的串行EEPROM（I2C總線接口）來存儲系統參數。用戶可通過串口與E5122進行通信，E5122的作用是：完成TCP／IP協議和串口通信協議，同時支持普通串口和用戶設備的交互，并可通過外接RTL8019AS控制芯片來實現網絡連接。

4硬件電路設計

4．1接口電路

在具體使用中，由于單片機本身的限制，設計時可采用跳線方式將JP引腳接高電平；而用E5122與RTL8019AS的接口來傳輸網絡數據。

當系統初次運行時，E5122會對RTL8019AS進行初始化，同時設置其工作模式以及中斷源等。RTL8019AS接收到數據時會觸發E5122中斷，此時E5122將通過A8～A13和A15來選擇RTL8019AS的寄存器地址和存儲器地址并控制和實現數據的讀取，當有數據通過E5122發送給RTL8019AS時，系統將通過地址線設置RTL8019AS的相應寄存器以進行數據發送。其具體的接口電路如圖3所示。

4．2I2C總線數據存儲器

I2C總線是INTERINTEGRATEDCIRCUITBUS的縮寫，即“內部集成電路總線”。I2C總線是由Philips公司首先提出的串行通訊接口規范，該總線使用串行數據線SDA和串行時鐘線SCL來進行主從器件之間的數據傳輸，接口十分簡單。

I2C總線上的數據傳輸率可達100kbit／s，快速模式下可達400kbit／s。在I2C總線傳輸中，當SCL為高時，SDA由高變低為開始條件；而當SCL為高時，SDA由低變為高則為停止條件。SDA和SCL都是雙向傳輸線，SDA線上的數據在時鐘為高期間必須是穩定的，只有當SCL線上的時鐘信號為低時，數據線上的狀態才可以改變。輸出到SDA線上的每一個字節必須是8位，每次傳輸的字節不受限制，但每個字節必須有一個應答位。

4．3隔離耦合變壓器

設計時應采用11隔離變壓器，同時應避免雷電引起的感應電壓損壞后級電路。此外，還需完成平衡－不平衡的轉換隔離、傳輸和匹配。

4．4復位與看門狗電路

通過看門狗電路可在程序跑飛或死機時，對系統進行重新置位或復位，以使系統恢復正常運行。其電路如圖4所示。該電路采用MAX813L來完成電源復位和看門狗功能。

5應用中應注意的幾個技術問題

在實際應用過程中，應注意以下幾個問題：

（1）傳輸速度

在系統中，上位PC機與下位測控設備之間的數據交換速度取決于以太網接口模塊的傳輸速度；而它的傳輸速度則取決于以太網接口芯片的速度、單片機的處理速度以及和設備交換數據的方式。

測控系統要傳送的一般是控制命令和測量數據，且數據量不大模塊與測控設備之間可采用RS－232、RS－485、CAN等串口方式進行連接，其通信速率僅幾十kb／s或上百kb／s。而以太網接口芯片的速度（10Mb／s）和微處理器的速度遠大于串口通信速度。因此，傳輸速率主要取決于串口的通信速率。

當對傳送速率要求很高時（如傳送圖像），以太網接口模塊與測控設備之間就不能再采用串口進行連接，而必須采用并口連接。這時傳輸速率取決于微處理器的處理速度。建議選用一些高速單片機，如P89C52RX系列或SX系列等。

（2）IP地址

以太網測控系統中的測控設備要通過模塊進入以太網，就必須確定自己的IP地址。IP地址的獲得有兩種方式：一是動態獲得IP地址，二是固定分配IP地址。由于E5122不支持RARP反向地址解析協議，故無法獲得動態IP地址，只能用固定IP地址。

（3）安全控制

在小型封閉式局域網中進行測控時，安全問題一般不大。但在廣域網甚至因特網上進行測控時，安全控制就至關重要。為此，應采用48～128位的用戶密碼來保護測控設備的安全，以使合法用戶可修改、設定自己的密碼。這樣網絡非法用戶即使竊取了IP地址，由于沒有用戶密碼，也無法操作設備。

（4）實時性問題

測控系統在很多場合都要強調它的實時性，但以太網不是一個實時系統。它的載波偵聽沖突檢測（CSMA／CD）通信方式決定了以太網中IP包的傳輸會有延遲，甚至丟包，這是利用以太網組成分布式測控系統的最大缺點。但是，現在以太網的速度越來越快，在百兆甚至千兆網或一些小型封閉式局域網中，當網絡的繁忙程度大為減輕時，IP包幾乎沒有沖突，因而傳輸延遲、丟包現象將大大減小，而不會影響測控系統的正常工作。同時在系統的網絡層之上，如能增加應答協議，則丟包問題就可基本解決。

（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；另一個是25腳插座，內含RS－232或RS－485總線接口。

6結束語

隨著21世紀的到來人類逐步跨入了信息時代。家電的網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生了巨大的變化，同時也刺激了人們對各種數據源和網絡服務需求的日益增長。因此本文所介紹的方案無疑具有一定的實用和商用價值。