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1. 概述 現(xiàn)有的插座在其使用方式、功能以及外形特征等諸方面都表現(xiàn)出多樣化的趨勢(shì)。有的增加了保險(xiǎn)功能、電源指示功能、開關(guān)功能,有的增加了調(diào)壓功能。這些插座的功能無論怎樣,只能是單一的目的:為用電設(shè)備提供電源接口。它們的共同缺陷就是不具有信息化和智能化功能。為了實(shí)現(xiàn)插座的信息化和智能化，我們將研究設(shè)計(jì)的智能信息系統(tǒng)與插座結(jié)合,將該智能設(shè)備與電源插座合為一體,設(shè)計(jì)成多功能智能監(jiān)測(cè)插座。該插座由于在建筑電氣安裝時(shí)一次性固定完成,采用照明電源供電,人們使用時(shí)就好象使用普通電源插座一樣,免除了過多的連接線。 2.系統(tǒng)功能與組成 2．1功能 該多功能智能監(jiān)測(cè)插座是在普通插座的基礎(chǔ)上,結(jié)合信息的需要,增加了如下功能: 1） 對(duì)接入插座的電器的電壓、電流、頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 2） 對(duì)插座工作環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 3） 將監(jiān)測(cè)到的電器的工作電壓或電流與其額定值進(jìn)行比較，如果超過額定值，主機(jī)就發(fā)送命令給執(zhí)行單元，自動(dòng)切斷該電器的電源，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)功能。 4） 通信功能：將監(jiān)測(cè)到的信息經(jīng)過通信接口傳給上位機(jī)，在家庭內(nèi)部或工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)可以連成一個(gè)局域網(wǎng)。在主機(jī)端人們可以通過一個(gè)人機(jī)界面定期或不定期查詢接入插座的諸電器的工作狀況。如果想實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的方便，可以將該局域網(wǎng)通過公用電話網(wǎng)連到Internet 上，這樣就可以在家庭以外的地方用手機(jī)或PC機(jī)隨時(shí)方便地查詢家用電器的工作情況了。 2． 2組成 該智能監(jiān)測(cè)插座由電源系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)四部分組成。 (1)電源系統(tǒng):完成照明電源到直流穩(wěn)壓電源的變換,提供給該智能系統(tǒng)工作電源。由隔離降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓等電路組成。 (2)監(jiān)測(cè)系統(tǒng):由電壓傳感器、電流傳感器和溫度傳感器以及模／數(shù)變換電路組成,負(fù)責(zé)信息的采集處理。 (3)控制系統(tǒng):由微處理機(jī)(單片機(jī))和執(zhí)行器件組成。微控制器一方面控制采集部分的模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換；另一方面接受上位機(jī)的命令，然后將這個(gè)命令交給執(zhí)行單元去完成，比如切斷用電器的電源。 (4通信系統(tǒng)：該插座的通信系統(tǒng)主要是在其內(nèi)部增加一個(gè)通信接口，以便聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)器進(jìn)行通信。由于該設(shè)備構(gòu)成局域網(wǎng)，在設(shè)計(jì)要采用分層次的設(shè)計(jì)思想，在這篇文章里，只考慮設(shè)計(jì)最低的一層：物理層的通信實(shí)現(xiàn)。 3． 物理層通信的設(shè)計(jì) 在串行通信口的缺點(diǎn)中有三項(xiàng)最為突出：低速、復(fù)雜的電纜和端口數(shù)的限制。通用串行總線（USB）不僅克服了所有這三項(xiàng)缺點(diǎn)，而且具有支持熱插拔、容易擴(kuò)展、低成本、低干擾等優(yōu)點(diǎn)。USB標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為業(yè)界普遍認(rèn)同的一種事實(shí)上的接口標(biāo)準(zhǔn)，支持這一標(biāo)準(zhǔn)各種新產(chǎn)品正在大量涌現(xiàn)，而且現(xiàn)在的微型計(jì)算機(jī)上都有USB接口，所以我們就選擇USB作為該多功能插座和主機(jī)串行通信的接口。 3．1 USB接口芯片及其工作原理 在這篇文章中我們采用Philips公司推出的PDIUSBD12芯片，這是一種價(jià)格便宜、功能完善的并行接口芯片,它支持多路復(fù)用、非多路復(fù)用和DMA并行傳輸。PDIUSBD12接口芯片遵從協(xié)議USB1.1,適合于不同用途的傳輸類型。PDIUSBD12需要外接微控制器(MCU)來進(jìn)行協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換,它對(duì)MCU沒有特殊要求,而且接口方便靈活,因此設(shè)計(jì)師可以選用自己熟悉的MCU對(duì)芯片進(jìn)行控制,也可利用Philips公司的固件(firmware)結(jié)構(gòu)來縮短開發(fā)時(shí)間、降低風(fēng)險(xiǎn)、減小投資。 性能特點(diǎn)：PDIUSBD12除了具有USB設(shè)備的一般特性外,還具有如下特點(diǎn): （1）是一種高性能的USB接口芯片,其內(nèi)部集成有SIE（Serial Interface Engine）、320字節(jié)的FIFO、收發(fā)器和電壓調(diào)節(jié)器。 （2）適用于大部分設(shè)備類規(guī)范�？膳c任何外部微控制器／微處理器實(shí)現(xiàn)高速并行接口,其速度可高達(dá)2Mbit/s。 （3）可進(jìn)行完全獨(dú)立的DMA操作。 （4）主端點(diǎn)配置有雙緩沖,因而可提高數(shù)據(jù)的吞吐量、減小數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間,輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。 （5）當(dāng)采用同步傳輸方式時(shí),數(shù)據(jù)的傳輸速度為1Mbit/s;而采用批量傳輸方式的速度為1Mbyte/s。在使用上述方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí),可方便地使用多種中斷方式。 （6）帶有可編程的時(shí)鐘輸出,與USB總線的連接可通過軟件來控制(Soft Connect TM)。 （7）有兩種工作電壓可供選擇:分別為3.3±0.3Ｖ和3.6～5.5Ｖ。 （8）輸出和數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)可通過USB連接指示燈來監(jiān)控。 3．2 通信硬件電路設(shè)計(jì) 本文我們選用89C52單片機(jī)作為該系統(tǒng)的微控制器。PDIUSBD12和89C52的電路連接如圖1所示： 圖1 USB接口通信電路 3．3 通信系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 3．3．1 USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā) Windows2000提供了一些常見USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序,但是要使D12構(gòu)成的USB設(shè)備正常工作仍需要自己編寫驅(qū)動(dòng)程序。盡管系統(tǒng)已經(jīng)提供了很多標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù),但編制驅(qū)動(dòng)程序仍然是USB開發(fā)中最困難的,通常采用Windows DDK來實(shí)現(xiàn)。 3．3．2 USB設(shè)備固件（firmware）設(shè)計(jì) 設(shè)備固件是設(shè)備運(yùn)行的核心，采用匯編語言設(shè)計(jì)。其主要功能是控制芯片PDIUSBD12接受并處理USB驅(qū)動(dòng)程序的請(qǐng)求（如請(qǐng)求設(shè)備描述符、請(qǐng)求或設(shè)置設(shè)備狀態(tài)、請(qǐng)求設(shè)備設(shè)置、請(qǐng)求或設(shè)置設(shè)備接口等共10種USB1.1標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求）；控制芯片PDIUSBD12接受應(yīng)用程序的控制指令；控制A/D模塊的數(shù)據(jù)采集；通過PDIUSBD12存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)上傳PC。 下位機(jī)程序主要的工作是初始化D12,通過D12進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及按協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。USB單片機(jī)控制程序通常由三部分組成：第一,初始化部分,完成單片機(jī)和所有的外圍電路(包括D12)的初始化；第二,主循環(huán)部分,等待來自數(shù)據(jù)采集設(shè)備或上位機(jī)的數(shù)據(jù),并啟動(dòng)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換程序,進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,是固件的主體部分；第三,中斷服務(wù)程序,由上位機(jī)和數(shù)據(jù)采集設(shè)備觸發(fā),進(jìn)行一些低工作量的實(shí)時(shí)處理(如置相應(yīng)標(biāo)志位),然后在主循環(huán)部分對(duì)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的處理。 PDIUSBD12的初始化過程如下： (1) 設(shè)置地址使能； (2) 設(shè)置端點(diǎn)(EndPoint)使能(這時(shí)候LED亮)； (3) 軟斷開(Disconnect)； (4) 延時(shí)(1～2ｓ)； (5) 軟連接(Soft Connect ,用Set Mode命令,此時(shí)LED滅)； (6) 中斷使能,等待中斷。 (7)響應(yīng)來自主機(jī)的Setup包,完成枚舉。步驟3～5就是利用Soft Connect TM技術(shù),不必進(jìn)行物理插拔而使主機(jī)初始化USB總線。雖然USB協(xié)議對(duì)枚舉過程作了統(tǒng)一的規(guī)定,但是不同公司的芯片實(shí)現(xiàn)起來可能有所不同。USB枚舉的過程實(shí)際上就是主機(jī)和USB設(shè)備的一個(gè)握手過程：主機(jī)發(fā)送出包含某個(gè)枚舉請(qǐng)求的Setup包,USB設(shè)備響應(yīng)該請(qǐng)求并返回必要的信息。在主機(jī)得到USB通信所需要的所有USB設(shè)備的信息之后,枚舉即告結(jié)束。 D12構(gòu)成的USB設(shè)備的枚舉過程如下：(1)Get Device Descriptor：主機(jī)請(qǐng)求代碼為8006000100004000,然后89C52通過D12發(fā)送設(shè)備描述符,第一次只需發(fā)送設(shè)備描述的前8個(gè)字節(jié),如：1201000100000010。(2)Set Address：主機(jī)請(qǐng)求代碼為0005020000000000,說明主機(jī)設(shè)置其地址為0X02,收到該請(qǐng)求后D12只需使能該地址(0X82),并對(duì)控制輸入端寫0長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)。(3)讀取全部Device Descriptor：主機(jī)請(qǐng)求代碼為8006000100001200,與1不同的是此時(shí)是讀取全部設(shè)備描述符,一般為18個(gè)字節(jié),可以分為多次傳輸,D12發(fā)送的前8字節(jié)與1相同,后10個(gè)字節(jié)為：71048888000100000001。其中,前兩個(gè)字節(jié)是廠商ID(VID),本例中的為0X0471,即分配給Philips公司的ID號(hào)。后兩個(gè)字節(jié)是設(shè)備ID(PID),設(shè)計(jì)定義為0X8888。VID和PID決定了驅(qū)動(dòng)程序的匹配,一定要與最后生成的主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序一致。(4)Get Config Descriptor：主機(jī)請(qǐng)求代碼為8006000200000900,根據(jù)USB協(xié)議的定義,第四字節(jié)的0X02表明該請(qǐng)求是一配置描述符請(qǐng)求。D12發(fā)送9字節(jié)的配置描述符給主機(jī),為09022ｅ000101006001。(5)讀取全部Config Descriptor：主機(jī)請(qǐng)求代碼為8006000200001200,此時(shí)D12必須把包括配置描述符、接口描述符、各端點(diǎn)(D12為四個(gè))的描述符在內(nèi)的所有的配置情況分多次發(fā)送給主機(jī)。(6)如果以上步驟都正確,主機(jī)將找到新設(shè)備,提示安裝驅(qū)動(dòng)程序,否則找到未知設(shè)備,不可用。安裝驅(qū)動(dòng)程序后,以后的每次設(shè)備插入,枚舉次序與以上步驟略有不同,之后會(huì)有Set Configuration、Get Configuration和Get Interface等調(diào)用。 3．3．3系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì) PC機(jī)應(yīng)用程序是該插座數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的中心，采用VC++6.0編程。其功能主要有：開啟或關(guān)閉USB設(shè)備、檢測(cè)USB設(shè)備、設(shè)置USB數(shù)據(jù)傳輸管道（pipe）、設(shè)置A/D狀態(tài)和數(shù)據(jù)采集端口、實(shí)時(shí)從USB接口采集數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)顯示并分析數(shù)據(jù)。程序主框圖如圖2所示： 4．工業(yè)用的智能監(jiān)測(cè)插座 4．1 USB通信在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的局限 USB電纜的最大傳輸距離是5米，因此上述的USB通信方案僅適用于家庭用的監(jiān)測(cè)插座。即使增加了中繼或HUB,USB傳輸距離通常也不超過幾十米,這對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)而言顯然是太小了。目前,工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有大量采用RS－485傳輸數(shù)據(jù)的采集設(shè)備。RS－485總線傳輸距離可以達(dá)到1200ｍ以上,并且可以掛接多個(gè)設(shè)備。不足之處是傳輸速度慢、可靠性差、需要板卡的支持、成本高、安裝麻煩等。RS－485的這些缺點(diǎn)恰好能被USB所彌補(bǔ),而USB傳輸距離的限制又是RS－485的優(yōu)勢(shì)所在。為此，我們采用一種RS－485和USB的接口轉(zhuǎn)換卡來解決上述問題。 4．2 RS－485和USB轉(zhuǎn)換卡的原理與硬件電路圖 圖2 應(yīng)用程序主框圖 4．2．1 轉(zhuǎn)換卡的工作原理 在采集現(xiàn)場(chǎng),數(shù)據(jù)采集設(shè)備將采集的數(shù)據(jù)利用485總線進(jìn)行傳輸。在主機(jī)端,利用轉(zhuǎn)換卡接收來自485總線的數(shù)據(jù)并通過USB接口傳送至PC進(jìn)行分析處理。而主機(jī)向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的過程正好相反,主機(jī)向USB口發(fā)送數(shù)據(jù),通過485～USB轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換為485協(xié)議向遠(yuǎn)端輸送。轉(zhuǎn)換卡的主要功能是完成信號(hào)電平轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。RS－485和USB電平的轉(zhuǎn)換主要依靠硬件,通過各自的接口芯片將信號(hào)轉(zhuǎn)換為TTL電平。數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換則主要是軟件方面的工作, MCU讀到某一個(gè)接口的數(shù)據(jù),然后按照另一個(gè)接口協(xié)議中對(duì)數(shù)據(jù)幀的要求進(jìn)行打包。設(shè)計(jì)的核心是通過MCU協(xié)調(diào)兩個(gè)接口的數(shù)據(jù)收發(fā),由于相當(dāng)部分的工作已經(jīng)由各個(gè)接口電路完成,所以設(shè)計(jì)工作量大為減少。 4．2．2 轉(zhuǎn)換卡硬件電路 硬件部分主要是MCU與485和USB的接口電路設(shè)計(jì),如圖3所示。MCU采用普通8051,USB接口芯片為PDIUSBD12,485接口芯片為MAX485。 4．3 轉(zhuǎn)換卡軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)軟件(固件)設(shè)計(jì)和主機(jī)部分軟件設(shè)計(jì)。單片機(jī)軟件使用偉福公司提供的WAVE仿真軟件開發(fā),并通過其仿真器進(jìn)行在線調(diào)試。主機(jī)部分軟件又包括驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序兩部分,分別使用DDK和VC6.0生成。 圖3 USB接口轉(zhuǎn)換卡電路圖 5．結(jié)束語 對(duì)于該智能監(jiān)測(cè)插座的研究目前仍然處于理論的設(shè)想與設(shè)計(jì)過程中，要做出產(chǎn)品來，仍然有很長(zhǎng)的路要走，需要更多的人投入更多的精力。尤其是利用USB通信這一塊，USB驅(qū)動(dòng)程序的編寫是個(gè)難點(diǎn)。隨著技術(shù)的不斷更新、完善和發(fā)展，相信該多功能插座的實(shí)現(xiàn)會(huì)越來越容易。 |
