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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。STR710MC35iCS8900A网络家电LCDInternent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2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CS8900A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CS8900A2.1CS8900A简介CS8900A是CIRRUSLOGIC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IEEE802.3以太网标准(ISO/IEC8802-3,1993),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,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2CS8900A内部结构框图32.1.2主要特点：·符合IEEE802.3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/MEMR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SA0~SA3对应接到STR710的地址线A11~A14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。4A.11STR710CS8900AVccSA8SD0~SD15/IOR/IOWRESETINTRQ2/SBHESA9/MEMW/MEMRSA0~SA3D0~D15/WR/CS3/RD/RSTINP2.9A11~A14图3CS8900A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。先导字段帧开始标志目的地址源地址数据字段长度数据填充字段校验和字节:712或62或620～15000～464PreamableStart-of-FrameDestinationSourceLengthLLCPadCRCDelimiterDelimiterAddressAddressFieldDataBitsCheckSumPacketFramepreamableframelengthmin64bytesmax1518bytesDirectionofTransmission图4以太网帧结构53.GPRS模块MC35i3.1MC35i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5GPRS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86.20kbps，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。3.2MC35i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。6状态指示灯SIM卡座STR710的串口电源模块关模块按键SYNCCCGNDCCVCCCCCLKCCIOCCRSTRxTxBATT+GNDEMERGOFFIGT开模块按键ZIF连接器图6MC35i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。状态指示灯电路的硬件实现电路见图7。表1SYNC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7LED+5SYNCR61.2kR71.2kGNDQ2NPN图7状态指示灯电路3.2.2SIM卡电路MC35i的基带处理器集成了一个与ISO7816-3ICCard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。GSMI1.11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。数据端口I/O可编程端口接地端GND电源Vcc复位RST时钟CLKMC35i的SIM卡接口CCIN_ICCRST_RSTCCIO_IOCCCLK_ICCVCC_VccCCGND_GND手机的SIM卡接口图8SIM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）提供接入网的连接点。MC35i的串口是遵循ITU-TRS-232数据交换电路DCE标准的串行异步发送8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（lowactive）。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2~3.3V电平，标准逻辑“0”对应0V~0.4V电平，而RS-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2RS232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T