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基子Atmega103微控制器的家庭信息終端的設(shè)計(jì)
摘要：介紹了以Atmegal03為主控芯片的家庭信息終端在小區(qū)智能化建設(shè)中的應(yīng)用。詳細(xì)闡述了Atmegal03微控制器與觸摸屏和nRF401無線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片之間接口應(yīng)用的軟件與硬件技術(shù)要點(diǎn)。關(guān)鍵詞：Atmegal03 家庭信息終端 PDA nRF401
小區(qū)智能化建設(shè)在國內(nèi)歷經(jīng)幾年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一系列標(biāo)準(zhǔn)，它們的出現(xiàn)了滿足了不同收入階層對住房智能化的要求。而室內(nèi)終端作為小區(qū)智能化建設(shè)中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也隨著電子技術(shù)的發(fā)展和人們對住宅智能化要求的提高逐漸發(fā)展成一個(gè)集多種功能為一體的綜合性信息服務(wù)處理平臺。
傳統(tǒng)室內(nèi)終端只能在用戶室內(nèi)進(jìn)行簡單的安防和電器的控制，已經(jīng)不能滿足人們對住宅智能化的要求。而家庭信息終端HIT(Home lnformation Termination)在具有安防和電器控制功能的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)突出了信息服務(wù)的功能(例如電子商務(wù)和家政服務(wù)等)，滿足了人們在現(xiàn)代社會中快節(jié)奏和開放性的生活。
1 小區(qū)整體結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)流程
整個(gè)小區(qū)管理系統(tǒng)由住戶室內(nèi)控制和小區(qū)內(nèi)部管理兩部分組成。其中，小區(qū)內(nèi)部管理主要由小區(qū)公共安全和小區(qū)日常管理兩部分組成。而住戶室內(nèi)終端和室內(nèi)控制器RC(Room Controller)構(gòu)成了住戶的室內(nèi)控制。圖1是小區(qū)整體結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)流程圖。
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在小區(qū)內(nèi)部，系統(tǒng)通過公共安全設(shè)施(電視監(jiān)控和周界控制等)和小區(qū)管理設(shè)備(出入口門禁和車輛管理等)來監(jiān)控對小區(qū)的非法闖入。一旦某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常，則公共安全設(shè)施或小區(qū)管理設(shè)備立即將此異常上傳至小區(qū)監(jiān)控中心(中心數(shù)據(jù)庫)，以便采取相應(yīng)的應(yīng)對措施。
在住戶室內(nèi)，住戶通過HIT終端向室內(nèi)控制器RC以無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送控制數(shù)據(jù)，RC接收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)通信協(xié)議判斷接收到的數(shù)據(jù)是室內(nèi)控制命令(安防或電器控制)還是請求信息服務(wù)命令(查詢物管通知或要求家政服務(wù)等)。如果接收的數(shù)據(jù)是室內(nèi)控制命令，那么RC解析命令后直接對室內(nèi)的防區(qū)或電器進(jìn)行操作。一旦對防區(qū)進(jìn)行了設(shè)防操作后，RC輪流查詢每一個(gè)設(shè)防防區(qū)的狀態(tài)。當(dāng)防區(qū)出現(xiàn)異常時(shí)，RC在室內(nèi)報(bào)警的同時(shí)還將此異常情況上傳至小區(qū)監(jiān)控中心。如果接收到的是請求信息服務(wù)的命令，那么RC對此命令不做任何處理，直接上傳至小區(qū)監(jiān)控中心，由中心數(shù)據(jù)庫來處理此條請求信息服務(wù)命令。
2 終端硬件設(shè)計(jì)
終端采用手持PDA的形式，并且以無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞酵瓿膳c室內(nèi)控制器RC之間的通信。圖2是終端硬件結(jié)構(gòu)圖。終端主要由微控制器Atmega103、觸摸屏輸入、無線數(shù)據(jù)通信、非接觸式IC卡身份識別、LCD顯示模塊以及電源管理模塊等構(gòu)成。其中，觸摸屏輸入模塊和LCD顯示模塊共同實(shí)現(xiàn)終端的輸入操作和狀態(tài)顯示。無線通信模塊將輸入的功能操作按通信協(xié)議的規(guī)定組織成命令數(shù)據(jù)幀，以無線的方式發(fā)送至RC，并且接收RC給出的應(yīng)答信息。為了保證終端使用的安全性，終端引入了身份識別模塊。使用者只有通過終端的身份識別后，才具有終端的某種使用權(quán)限。并且在身份識別模塊的軟件設(shè)計(jì)上還可以設(shè)置不同的終端使用權(quán)限。
終端以Atmega103為主控單片機(jī)。Atmega103是一種高性能的AV_R系列單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了每兆赫茲晶振頻率處理能力1MIPS、內(nèi)部有128K字節(jié)的Flash Memory、4K字節(jié)的SRAM、還帶有4K字節(jié)在線可編程EEPROM、支持ISP功能。本終端系統(tǒng)中的單片機(jī)任務(wù)十分繁重，在完成驅(qū)動LCD顯示和觸摸屏的同時(shí)，還要完成與nRF401無線數(shù)傳模塊的接口并通過它實(shí)現(xiàn)與室內(nèi)控制器RC的交互。Atmega103內(nèi)部資源豐富且功能強(qiáng)大，可以簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)可靠性，非常適用于本系統(tǒng)。
2．1 觸摸屏控制器
實(shí)際應(yīng)用中，終端采用的觸摸屏控制器是AD7843。AD7843是AD公司生產(chǎn)的一款專用于4線電阻式觸摸屏的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器。AD7843有12位或8位可選的兩種工作模式，具有單一電源供電、完全低功耗模式、轉(zhuǎn)換速度快等特點(diǎn)。圖3是AD7843與4線電阻式觸摸屏典型接口圖。
圖3中，PENIRQ引腳在觸摸屏被點(diǎn)擊后立即產(chǎn)生一個(gè)寬度約為4個(gè)DCLK的負(fù)脈沖向主控單片機(jī)申請中斷。主控單片機(jī)響應(yīng)此中斷后，通過DIN引腳將控制字寫入AD7843的控制寄存器，以啟動一次轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，BUSY也將產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖向主控單片機(jī)申請中斷，響應(yīng)中斷后主控單片機(jī)將轉(zhuǎn)換結(jié)果由DOUT引腳讀出。讀出的結(jié)果經(jīng)過轉(zhuǎn)換后就是觸摸屏上被點(diǎn)擊點(diǎn)的坐標(biāo)。
在終端設(shè)計(jì)中，采用功能圖標(biāo)表示終端具體功能操作。這樣通過點(diǎn)擊觸摸屏對應(yīng)位置下LCD上顯示的功能圖標(biāo)，可以選擇相應(yīng)的功能操作，從而可以對終端進(jìn)行相應(yīng)的操作。
2．2 LCD接口電路
終端采用160x160(dots)的LCD作為顯示界面。LCD控制器選用SEIKOEPSON公司的SED1335。SED1335具有較強(qiáng)功能的I／O緩沖器、指令豐富、4位數(shù)據(jù)并行發(fā)送且驅(qū)動能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)圖形和文本混合顯示。
單片機(jī)對LCD采用直接訪問方式，將LCD作為存儲器直接與單片機(jī)的總線相連接。LCD控制器的數(shù)據(jù)總線與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連，并且由單片機(jī)給出控制器的片選及寄存器選擇信號。此外，LCD的單片機(jī)接口時(shí)序與SED1335接口電路的時(shí)序采用Intel8080時(shí)序。
2．3 無線數(shù)據(jù)傳輸
終端將選擇的具體功能操作按通信協(xié)議的規(guī)定組織成數(shù)據(jù)命令幀通過無線數(shù)傳模塊發(fā)送至室內(nèi)控制器RC。系統(tǒng)采用nRF401作為無線數(shù)據(jù)收發(fā)的控制芯片。nRF401是Nordic公司推出的一款工作在433MHz、具有雙通道的、數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)20kbps的無線射頻數(shù)據(jù)收發(fā)芯片。而且nRF401做到了單個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)FSK信號的收發(fā)，其引腳電平為CMOS電平，可以直接與單片機(jī)串行口通信。
無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和單片機(jī)采用5-wire接口的方式。圖4是Atmega103與無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的連接電路。
圖4中，PB4、PBS、PB6分別控制無線數(shù)傳模塊的電源控制端(PWR_UP)、工作頻率選擇端(CS)以及工作模式選擇端(TXEN)。其中，當(dāng)TXEN=l時(shí)，nRF401工作于發(fā)送狀態(tài)；當(dāng)TXEN=0時(shí)，nRF401工作于接收狀態(tài)。另外，單片機(jī)的串行口(TXD／RXD)與無線數(shù)傳模塊的數(shù)據(jù)輸入／輸出端(DIN／DOUT)直接通信。
保證無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆�(wěn)定性是終端開發(fā)的關(guān)鍵之一。在終端設(shè)計(jì)的軟、硬件兩方面，增加了抗干擾措施。硬件上，在單片機(jī)的串行口與無線數(shù)傳模塊數(shù)據(jù)端之間加上隔離電路并對無線數(shù)傳模塊的電源電路設(shè)置去耦濾波電路，以減小單片機(jī)對無線數(shù)傳模塊的電磁干擾。軟件上，采用了適當(dāng)?shù)男畔⒋a組合方式以及數(shù)據(jù)幀校驗(yàn)的方法來減小數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率以及錯(cuò)誤數(shù)據(jù)幀對終端整體數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽?/p>
2．4 身份識別
終端所包含的功能服務(wù)中，有一些功能服務(wù)涉及到住戶商業(yè)利益和家庭安全。例如，電子訂購和安防控制等功能操作。這些功能操作只有在終端使用者經(jīng)過身份識別后，具有了一定操作權(quán)限的前提下才能進(jìn)行。終端采用非接觸式IC卡對使用者進(jìn)行身份識別。
非接觸式IC卡又稱射頻卡，是國內(nèi)外近幾年日益廣泛使用的新技術(shù)，它成功地將射頻技術(shù)與IC卡技術(shù)相結(jié)合，解決了無源和免接觸的問題。非接觸式IC卡系統(tǒng)由讀寫器和非接觸式IC卡兩部分組成。應(yīng)用系統(tǒng)通過讀寫器對卡進(jìn)行操作；讀卡器通過射頻信號同步進(jìn)行近距離通信，并為卡上芯片提供工作電源；非接觸式IC卡響應(yīng)讀寫器的指令，并報(bào)告處理結(jié)果。
終端開機(jī)后，通過讀入使用者IC卡上存儲的數(shù)據(jù)對用戶進(jìn)行身份識別。只有身份識別通過后，使用者才能對終端進(jìn)行后續(xù)的操作；否則，終端在不響應(yīng)后續(xù)的任何操作的同時(shí)還會發(fā)送報(bào)警數(shù)據(jù)至室內(nèi)控制器RC以提示有非法用戶。另外，通過終端的軟件設(shè)計(jì)還可以設(shè)置三種不同操作權(quán)限的用戶：非法用戶、訪問用戶和標(biāo)準(zhǔn)用戶。
3 終端軟件設(shè)計(jì)
終端的系統(tǒng)軟件包括三大部分：觸摸屏控制程序、LCD顯示驅(qū)動和無線數(shù)據(jù)傳輸。整個(gè)系統(tǒng)軟件是在Atmel公司的AVR-Studi04．0集成開發(fā)環(huán)境下采用匯編語言完成的。
3．1 觸摸屏控制程序
觸摸屏控制程序是一個(gè)觸摸屏申請中斷以及單片機(jī)響應(yīng)中斷的交互過程。
一旦觸摸屏被點(diǎn)擊后，立即向單片機(jī)申請中斷，提請單片機(jī)啟動一次A／D轉(zhuǎn)換。單片機(jī)在中斷服務(wù)程序中將控制字寫入觸摸屏控制器AD7843的內(nèi)部寄存器中。控制字的主要功能是通道選擇、精度選擇、工作模式選擇以及電源控制。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，單片機(jī)在另外一個(gè)中斷服務(wù)程序中完成轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀入�？刂谱值膶懭牒娃D(zhuǎn)換結(jié)果的讀出都是在單片機(jī)提供的時(shí)鐘脈沖同步下，以串行方式完成。當(dāng)AD7843工作于125kHz時(shí)鐘脈沖下，其最大工作電流僅為380μA。
3．2 LCD顯示驅(qū)動
終端中液晶顯示器是人機(jī)交互的界面。液晶顯示模塊和觸摸屏輸入模塊共同完成終端各級功能操作的輸入及顯示、文字輸入及顯示和其它提示信息的顯示等。因此做到人性化的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)也是本終端開發(fā)的關(guān)鍵之一。
初始化完成后，LCD顯示第一級功能操作菜單以等待選擇。后續(xù)菜單的顯示采用分級顯示的方法，直至最終功能的完成。
3.3 無線數(shù)據(jù)傳輸
AV_R系列單片機(jī)提供了三個(gè)獨(dú)立串行口中斷：發(fā)送完成、接收完成和發(fā)送寄存器空。此外，經(jīng)過內(nèi)部的波特率發(fā)生器，AV_R系列單片機(jī)還可以在晶振低頻率下產(chǎn)生較高的波特率。
終端將組織的命令控制數(shù)據(jù)由無線數(shù)傳模塊發(fā)送至室內(nèi)控制器RC，從而實(shí)現(xiàn)二者之間的信息交互。為了提高終端系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆�(wěn)定性，軟件設(shè)計(jì)上采用前導(dǎo)碼+同步碼+數(shù)據(jù)幀的信息碼組合方式，以減小系統(tǒng)的零電平干擾。同時(shí)，在通信協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)幀的幀頭和整個(gè)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行了CRC校驗(yàn)，從而提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
在家庭信息終端中引人身份識別和觸摸屏輸入技術(shù)，是一次成功的嘗試，克服了傳統(tǒng)室內(nèi)安防終端的很多缺陷。系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的諸多要素中，保證系統(tǒng)中LCD顯示模塊人性化和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆�(wěn)定性是開發(fā)的關(guān)鍵。同時(shí)，如何在軟件和硬件上做好系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)直接影響到系統(tǒng)的性能與應(yīng)用推廣前景。
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