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智能家居控制器硬件模塊方案開發(fā)
智能家居智能控制器采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法。在硬件設(shè)計上盡量選擇通用性、模塊化的設(shè)備，按照系統(tǒng)的設(shè)備對硬件功能進行劃分，統(tǒng)一接口，這樣增加各個模塊的通用性以及實用性，方便系統(tǒng)的維護和升級。
一、智能家居系統(tǒng)控制器的硬件結(jié)構(gòu)
按照硬件設(shè)備功能的不同，智能家居智能控制器的硬件大致可以分為微處理器、保障系統(tǒng)正常工作的外圍電路、輸入輸出設(shè)備、通信模塊等。其中，智能家居控制器的微處理器采用旨在為智能終端提供低成本解決方案的三星S3C6410ARM處理器，同時搭載電源模塊等外圍電路保障其工作。輸入輸出設(shè)備選用普遍應(yīng)用于智能終端產(chǎn)品的觸摸顯示屏。通信模塊包括以太網(wǎng)接口模塊、藍(lán)牙模塊、串行通信模塊。系統(tǒng)最重要的部分是擴展了低功耗藍(lán)牙模塊，使控制器能夠通過藍(lán)牙通信的方式實現(xiàn)對智能家居設(shè)備實施控制。智能家居控制器的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。
二、智能家居控制器的核心模塊設(shè)計
智能家居控制器的核心模塊是以S3C610處理器位中心，配備一些必要的外圍電路，如電源模塊、時鐘及復(fù)位模塊等，構(gòu)成控制器運行的最小系統(tǒng)。并且擴展了存儲器模塊以及用來系統(tǒng)調(diào)試的JTAG接口模塊。
2.1電源模塊
電源模塊是整個控制器系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，有著非常重要的地位，但也是被眾多開發(fā)者經(jīng)常忽略的部分。本方案采用的外部電源為5V，經(jīng)過電源電路的管理得到微處理器需要的1.2V電壓；DDR SDRAM等需要的1.8V電壓；藍(lán)牙模塊、USB、串口的需要的3.3V電壓；觸摸顯示器需要的5V電壓。圖4-2和4-3分別為1.2V電源電路和1.8V電源電路的設(shè)計。
其中，XC9216A12CMR是同步整流的降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置0.6Ω的P-Channel MOSFET開關(guān)以及0.7Ω的N-Channel MOSFET開關(guān)。XC9216A12CMR具有很高的工作頻率使得電路能夠使用很小的電感和電容。通常利用兩個陶瓷電容和一個電感就能構(gòu)建成一個達(dá)到500mA的輸出線路。
2.2時鐘復(fù)位模塊
(1)時鐘模塊：時鐘信號一般由石英晶體振蕩器產(chǎn)生，根據(jù)需要進行配置，就可以得到需要的時鐘信號。S3C6410具有時鐘震蕩電路，在芯片的XUSBTI和XUSBXTO引腳之間接入一個48MHz晶體震蕩器就能使其正常工作。在1.2V電壓下，其工作頻率可以達(dá)到667MHz。如果系統(tǒng)需要更高的工作頻率，可以利用S3C6410提供的PPL，理論上工作頻率可以倍頻到1.6GHz。
(2)復(fù)位模塊：嵌入式微處理器在剛上電開始工作時的工作狀態(tài)通常不穩(wěn)定，這就影響微處理器使其不能正常工作。為了使微處理器能夠隨時恢復(fù)到一個確定的工作狀態(tài)，需要為其設(shè)計一個復(fù)位電路。復(fù)位的控制信號應(yīng)該根據(jù)微處理器的引腳的輸入輸出電壓為參考，S3C6410的引腳電壓范圍為3.0V~3.6V，所以一般控制信號的門檻電壓小于3.0V。電路提供物理按鍵，這樣系統(tǒng)就能實現(xiàn)上電復(fù)位及系統(tǒng)工作時人為的進行按鍵復(fù)位的功能。圖4-4展示了該系統(tǒng)的復(fù)位電路設(shè)計。
復(fù)位電路用到了MAX811芯片。MAX811是一款可靠并且成本低廉的數(shù)字系統(tǒng)電源監(jiān)控芯片。其工作電壓為5V或3V，電源閥值為2.93V。這些特性能夠滿足本系統(tǒng)的需要。
2.3存儲模塊
(1)SDRAM接口電路：SDRAM工作需要同步時鐘，并且為實現(xiàn)不丟失數(shù)據(jù)要持續(xù)刷新存儲器陣列。一旦掉電，存儲的數(shù)據(jù)將丟失。由于S3C6410支持32位數(shù)據(jù)總線的移動SDRAM接口，所以本系統(tǒng)采用兩個型號為K4XIG163PC-FGC6的移動DDRSDRAM。移動DDR SDRAM的K4XIG163PC-FGC6的供電電源為1.8V，功耗比較低，并且支持睡眠功能、工作不需要上拉電阻，設(shè)計簡單方便。K4XIG163PC-FGC6具有四個Bank，每一個Bank對應(yīng)32字節(jié)（16Mbit X 16）。所以系統(tǒng)總的SDRAM大小為256M。
(2)NAND-Flash接口電路：NAND-Flash屬于Flash存儲器的一種，其實現(xiàn)模式利用非線性的宏單元方案，是為固態(tài)大容量內(nèi)存提供了低成本的解決方案。S3C6410支持8位數(shù)據(jù)總線的NAND-Flash接口，本方案的NAND-Flash采用K9F2G08。K9F2G08的存儲容量為1 Gbit，位寬為8位。其頁的大小為1 028×4 bit，每塊由64頁構(gòu)成，共有2048塊。K9F2G08的工作電壓為2.7V~3.6V。S3C6410的XSELNAND引腳與VDD_IO直接相接，高電平表示Flash的選擇類型為NAND-Flash。
2.4 JTAG接口模塊
JTAG的全稱為“Joint Test Action Group”，是一種標(biāo)準(zhǔn)的測試協(xié)議，廣泛應(yīng)用于芯片的內(nèi)部測試以及進行系統(tǒng)仿真調(diào)試。一般FPGA、ARM、DSP等芯片都支持JTAG。本系統(tǒng)提供JTAG模塊，方便開對系統(tǒng)進行開發(fā)和調(diào)試。
三、智能家居控制器通信模塊設(shè)計
智能家居控制器負(fù)責(zé)家居內(nèi)部局域網(wǎng)通信進行控制，此外外部網(wǎng)絡(luò)又通過它來對家居內(nèi)部設(shè)備進行訪問和控制。因此，智能家居控制器要有必要的通信接口模塊。本方案設(shè)計的智能家居控制器的通信模塊包括：以太網(wǎng)接口模塊，負(fù)責(zé)對外部網(wǎng)絡(luò)進行訪問；藍(lán)牙通信模塊，為家居內(nèi)部局域網(wǎng)的通信接口；串行通信模塊，用于對外接設(shè)備的擴展和測試調(diào)試時使用。
3.1 Ethernet接口模塊
以太網(wǎng)(Ethernet)是指由Xerox公司提出的基帶局域網(wǎng)規(guī)范，之后在Xerox、DEC和Intel公司共同開發(fā)下得到發(fā)展，該通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)在當(dāng)下已有局域網(wǎng)應(yīng)用中最為通用。目前，該標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)非常成熟，并且市場上有豐富的產(chǎn)品以及開發(fā)工具。本系統(tǒng)采用的Ethernet接口芯片為DM9000AEP，該芯片具有一個10/100M自適應(yīng)收發(fā)器以及4K雙字SRAM。該芯片是高度集成的高速以太網(wǎng)MAC控制器，具有功耗低，速度快，兼容5.0V和3.3V輸入輸出電壓等特性。
3.2 USB Host模塊
USB（Universal Serial BUS）是用來規(guī)范計算機與外設(shè)的連接和通信的一種總線標(biāo)準(zhǔn)，USB設(shè)備支持熱插拔及即插即用的功能。本文設(shè)計的智能家居控制器有利于外部設(shè)備的擴展及通信。其中，智能家居控制的藍(lán)牙模塊與主機之間的通信就是通過USB接口實現(xiàn)。USB通信中的設(shè)備分為USB Host（主設(shè)備）以及USB Slave（從設(shè)備）兩種。S3C6410支持2個端口的USB主機設(shè)備，并且集成了USB控制器的所有部件，外圍電路設(shè)計比較簡單容易實現(xiàn)。
3.3藍(lán)牙通信模塊
由于藍(lán)牙4.0協(xié)議于2010年才被正式采納，所以目前市場上支持低功耗藍(lán)牙4.0協(xié)議的芯片不是很多，主要有Nordic推出的新一代低功耗藍(lán)牙芯片nRF8001和TI公司的低功耗藍(lán)牙芯片CC2540。作為第一款完整型低功耗藍(lán)牙芯片，CC2540是目前較高集成度的ANT無線網(wǎng)絡(luò)處理器，專為消費類電子、移動附件及運動醫(yī)療等應(yīng)用提供的超低功耗的短距離無線通信方案。采用CC2540藍(lán)牙的片上系統(tǒng)，一般僅一顆紐扣電池就可以連續(xù)工作幾個月甚至超過一年。因此，出于可靠性和實用性角度出發(fā)，本系統(tǒng)采用CC2540作為低功耗藍(lán)牙解決方案。CC2540的集成增強型的C8051單片機內(nèi)核以及RF前端于單芯片上，擁有較高的運算速度。具有兩個通用的異步/同步串行通訊接口USART；片內(nèi)具有硬件乘法器，增強了數(shù)據(jù)處理和運算能力。CC2540的通信電流消耗為19.6mA~24mA，并且同其它頻率2.4GHz通信器件有著良好的兼容性和互操作性，符合最新的藍(lán)牙協(xié)議規(guī)范4.0版低功耗模式。
3.4串行通信模塊
串口通信是計算機設(shè)備上一種常用的通信方式。智能家居控制器上配備串口通信模塊可以方便串口設(shè)備的擴展，同時能夠方便系統(tǒng)的開發(fā)及調(diào)試。目前比較常用的異步串行通信接口主要有RS-232接口、RS-449接口以及RS485接口。S3C6410支持5位、6位、7位或者8位的串行數(shù)據(jù)的收發(fā)。本方案采用的是基于RS-232的RS-232-C接口標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)配備25條信號線，其中包括一條主通道以及一條輔助通道，工作電壓在正負(fù)3~15V之間，因此無需外加供電設(shè)備，符合本系統(tǒng)的要求。
四、智能家居控制器輸入輸出模塊設(shè)計
目前在嵌入式智能終端上應(yīng)用最為廣泛的人機交互設(shè)備有LCD顯示器，觸摸輸入屏等。本方案采用以上兩種設(shè)備作為輸入輸出設(shè)備，搭配Android操作系統(tǒng)，可以使智能家居控制器使用起來簡單方便，同時具有較好的用戶體驗。
4.1 LCD顯示模塊
S3C6410內(nèi)部集成LCD控制器，支持典型的屏幕尺寸有：800×480，640×480，320×240。本文設(shè)計的智能家居控制器考慮到在不影響使用的情況下要盡量降低成本，采用NEC的4.3寸屏的TFT LCD顯示器，同時帶有觸摸屏。這款顯示屏具有比較高的性價比，并且支持真彩顯示，色彩可調(diào)。這符合S3C6410的要求。
4.2觸摸屏模塊
比較常見的觸摸屏有電阻式、電容式、紅外式以及表面聲波觸摸屏四種。其中電阻式觸摸屏穩(wěn)定性能較好，反應(yīng)靈敏度也能夠滿足要求，同時價格便宜，所以本文采用四線電阻式觸摸屏作為輸入設(shè)備的解決方案。觸摸屏屏幕由縱向電阻線和橫向電阻線兩部分組成。S3C6410通過觸摸屏的X+，X-，Y+，Y-四個引腳來控制四個MOS管的通或斷，這樣就可以分時讀取觸摸屏的X坐標(biāo)及Y坐標(biāo)，從而確定輸入的位置。在系統(tǒng)開始使用前，都要通過五點矯正的方式對觸摸屏進行位置矯正。
總結(jié)
通過上述的各個模塊的設(shè)計，智能家居控制器的硬件設(shè)計的工作就完成了。本文對基于藍(lán)牙的智能家居控制器的硬件設(shè)計做了說明。首先介紹了智能家居控制器的硬件結(jié)構(gòu)做了整體性的說明。智能家居控制器的微處理器采用S3C6410 ARM芯片，并且在之后對以S3C6410處理器為中心的核心模塊硬件設(shè)計做了說明。之后介紹了智能家居控制器的通信接口的模塊設(shè)計，并著重介紹了CC2540藍(lán)牙模塊。最后介紹了智能家居控制器的輸入輸出設(shè)備的硬件設(shè)計。
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