智能控制器的硬件設(shè)計(jì) - 基于CAN 總線的智能家電遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

　　2 智能控制器的硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)選用功能強(qiáng)大的帶有CAN接口的32 位微處理器LPC2294，運(yùn)行基于特定應(yīng)用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)合理的任務(wù)調(diào)度，滿足控制系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。

　　LPC2294是一款功能強(qiáng)大、超低功耗的具有ARM7TDMI-S 內(nèi)核的32 bit微處理器［2］。具有2個(gè)32bit定時(shí)器、4路CAN通道、2個(gè)UART、高速IIC接口以及9個(gè)外部中斷，內(nèi)部嵌入256KB 高速Flash存儲器和16 KB靜態(tài)RAM， 112個(gè)通用I/O口。其內(nèi)部集成的4路CAN控制器， 符合CAN 規(guī)范CAN2. 0B， ISO 1189821標(biāo)準(zhǔn)。

　　2.1　外擴(kuò)ROM和RAM

　?。保〧lash ROM：雖然LPC2294內(nèi)部嵌入256KB 高速Flash存儲器和16 KB靜態(tài)RAM，可以滿足一般的控制要求。但是我們需要外擴(kuò)一個(gè)容量相對大的FlashROM來保存監(jiān)測到的歷史數(shù)據(jù)，以便查看和打印。為了滿足操作系統(tǒng)及其文件系統(tǒng)的存儲要求，系統(tǒng)選用了2M Flash ROM器件SST39V160作為存儲介質(zhì)。

　　2）EEPROM：LPC2294內(nèi)部沒有集成EEPROM，要將家電設(shè)備編號保存下來， 故外擴(kuò)了容量為1024 Byte的顯存。

　　3）SDRAM：嵌入式操作系統(tǒng)的運(yùn)行需要動態(tài)ARM，而芯片LPC2294內(nèi)部提供的16K靜態(tài)RAM主要用來為7種工作模式分配堆棧和臨時(shí)變量分配空間，需要在外部總線上擴(kuò)充SDRAM（HY57v641620H）芯片，解壓縮后的操作系統(tǒng)將駐留在其內(nèi)。

　　2.2　鍵盤和液晶顯示

　　為便于控制新掛接在CAN總線上的家電設(shè)備，實(shí)時(shí)顯示家電設(shè)備的運(yùn)行情況，設(shè)計(jì)了鍵盤輸入與LED顯示。為了充分利用LPC2294的I2 C接口，以及減少電路的復(fù)雜性，采用了ZLG7290 I2C接口鍵盤及LED驅(qū)動器。ZLG7290的I2 C接口傳輸速率可達(dá)32 kb / s，易與處理器接口，并提供鍵盤中斷信號，提高主處理器工作效率。

　　按鍵使用了數(shù)字鍵（ 0～9） ，用于輸入和修改數(shù)字，可連擊實(shí)現(xiàn)快速輸入和修改數(shù)字；移位鍵在修改模式下，用于選擇要修改的位；加1鍵在修改模式下將當(dāng)前要修改的位進(jìn)行加1操作（在0～9之間循環(huán)） ；模式鍵實(shí)現(xiàn)進(jìn)入/退出修改模式，不允許連擊；確認(rèn)鍵在修改模式下將修改好的數(shù)據(jù)寫入EEPROM中。

　　2.3　網(wǎng)絡(luò)接口

　　RTL8019AS與以太網(wǎng)的連接由PM34 – 1006M濾波器芯片和RJ45完成［1］。其連接如圖2所示。這里采用PM34- 1006M是為了提高網(wǎng)絡(luò)通信能力。圖中TPIN+、TPIN-、TPOUT+和TPOUT-是RTL8019AS芯片輸入/輸出信號的4個(gè)引腳，濾波器右邊是以太網(wǎng)RJ45接口，通過標(biāo)準(zhǔn)帶RJ45插頭的雙絞線接入以太網(wǎng)。

　　3 智能控制器的軟件設(shè)計(jì)

　　為了便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級，同時(shí)更好地協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)采用了嵌入式操作系統(tǒng)uClinux進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。

　　3.1 嵌入式操作系統(tǒng)uClinux

　　uClinux是Linux2.0的一個(gè)分支，它被設(shè)計(jì)用于沒有MMU的微控制器領(lǐng)域。uClinux的最大特征就是沒有MMU（內(nèi)存管理單元模塊），它很適合那些沒有MMU的處理器，如ARM7TDMI。uClinux具有完全的TCP/IP協(xié)議棧，同時(shí)對其他許多的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都提供支持。這些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都在uClinux上得到了很好的實(shí)現(xiàn)。

　　通過使用嵌入式uClinux，它既保存了原先Linux操作系統(tǒng)穩(wěn)定性、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，又對內(nèi)核的代碼重新編寫，減少了內(nèi)核容量，提高了效率［4］。實(shí)時(shí)性方面，可以使用進(jìn)程間通信如管道、消息隊(duì)列、共享內(nèi)存等方法將CAN總線的接收中斷與應(yīng)用程序直接關(guān)聯(lián)，加快系統(tǒng)對CAN總線事件的響應(yīng)速度。進(jìn)一步可以通過RTLinux和RTAI（Real Time Application Interface）這兩種方案增強(qiáng)uClinux的實(shí)時(shí)性。主要包括：下載uClinux源代碼，實(shí)現(xiàn)在LPC2294上的移植、編寫驅(qū)動程序、在uClinux系統(tǒng)下編寫應(yīng)用軟件。

　　3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　為了充分利用LPC2294有限的內(nèi)存資源，應(yīng)盡量減少任務(wù)個(gè)數(shù)及任務(wù)之間的頻繁切換，可以將優(yōu)先級相近且運(yùn)行周期相近的功能整合到同一任務(wù)中。通過實(shí)時(shí)性分析，結(jié)合各功能運(yùn)行周期的要求，系統(tǒng)分為以下3個(gè)任務(wù)：

　　（1）系統(tǒng)監(jiān)控與報(bào)警。此任務(wù)保證控制器與CAN總線上的智能家電設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，及時(shí)了解總線上家電的運(yùn)行情況并作相應(yīng)處理。此任務(wù)運(yùn)行周期為100ms，優(yōu)先級最高。確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和響應(yīng)的及時(shí)性。

　?。?）遠(yuǎn)程通信任務(wù)。主要是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息與TCP/IP數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)家電的遠(yuǎn)程檢測和控制。任務(wù)的實(shí)時(shí)性較高，把其優(yōu)先級設(shè)為次級高。

　?。?）LED顯示任務(wù)。主要是顯示實(shí)時(shí)的溫度，濕度等室內(nèi)環(huán)境參數(shù)和電器設(shè)備狀態(tài)。無實(shí)時(shí)要求，優(yōu)先級最低。

　　4 結(jié)論

　　本系統(tǒng)通過擴(kuò)展LPC2294芯片，組成了智能控制器，實(shí)現(xiàn)了家用電器的集中監(jiān)測和控制。通過移植嵌入式系統(tǒng)使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定和靈活，與互聯(lián)網(wǎng)的連接則實(shí)現(xiàn)了家庭安防和家電的遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)達(dá)到了集中控制與遠(yuǎn)程控制的目的。