隨著人們對居住環(huán)境的舒適度、便捷性和安全性需求的日益提高，智能家居系統(tǒng)應運而生。智能家居系統(tǒng)的核心功能是實現(xiàn)家用設(shè)備運行狀況的實時監(jiān)測和傳輸，主要包括：安全防盜報警;火警、水電、煤氣泄漏等實時監(jiān)測和自動報警;室內(nèi)溫度、濕度、燈光自動調(diào)節(jié)和遙控等[1]。因此采集和傳輸各種設(shè)備的運行信息是保證智能家居系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵。MB90F462是Fujitsu公司生產(chǎn)的一款通用16位單片機，最小指令周期僅為62.5ns，適用于工業(yè)控制和高速實時數(shù)據(jù)處理等場合;同時，該芯片具有多功能定時器和多脈沖發(fā)生器，適用于交流感應電機和直流無刷電機的控制。本文利用MB90F462豐富的片內(nèi)資源設(shè)計了一款智能家居系統(tǒng)的低速數(shù)據(jù)采集卡。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能概述
根據(jù)智能家居系統(tǒng)在線設(shè)備比較多的特點和方便控制的需求，數(shù)據(jù)采集卡應具有足夠的輸入、輸出接口和遠程通信功能。基于MB90F462的數(shù)據(jù)采集卡的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)按功能可分為以下幾個模塊：8路模擬量輸入;8路數(shù)字量輸入;GSM短信數(shù)據(jù)傳輸;RS-232、RS-485通信;GPRS數(shù)據(jù)傳輸;實時時鐘;狀態(tài)指示;EEPROM數(shù)據(jù)存儲。
2 主要功能模塊的設(shè)計
2.1 信號輸入模塊
在智能家居系統(tǒng)中，需要采集的數(shù)據(jù)信息包括空氣溫度、濕度、燈光的調(diào)節(jié)和水、電、煤氣、煙、火等報警信息，按照信號的性質(zhì)可分為模擬量數(shù)據(jù)和數(shù)字量數(shù)據(jù)兩類。該數(shù)據(jù)采集卡可支持的輸入電平有5V、3.3V、RS-232和RS-485接口。
MB90F462帶有8路8/10位精度可選的A/D通道，可供輸入8路傳感器的模擬量信號。對于溫度、濕度、燈光、水流量等信息，可通過相應的傳感器將設(shè)備的實時數(shù)據(jù)通過A/D通道采集到管理中心。由于該系統(tǒng)數(shù)據(jù)量不大，軟件設(shè)計采用查詢的方式來檢查各路A/D的采樣完成標志，并讀入數(shù)據(jù)至管理中心的計算機中。A/D采樣需要設(shè)置的寄存器包括：ADER、ADCS1、ADCS0、ADCR1和ADCR0。A/D轉(zhuǎn)換共有四種可選模式：單步轉(zhuǎn)換模式1(運行時允許重復激活)、單步轉(zhuǎn)換模式2(運行時不允許重復激活)、連續(xù)轉(zhuǎn)換模式(運行時不允許重復激活)、停止轉(zhuǎn)換模式(運行時不允許重復激活)。
對于設(shè)備的報警信息和一些特殊的開關(guān)量，利用MB90F462的8路外部中斷對數(shù)字量輸入信號進行觸發(fā)或脈沖計數(shù)。由于外部中斷和GPIO管腳是復用的，所以使用外部中斷時必須設(shè)置相應的管腳為輸入。每兩個外部中斷共用一個中斷控制寄存器，使用外部中斷時需要設(shè)置的寄存器有ICRXX、ENIR、ELVR和EIRR。中斷信號的觸發(fā)信號電平可以為高電平、低電平、上升沿或下降沿。使用外部中斷之前和中斷處理完成后要清除標志位。
2.2 短消息通信模塊
為了更方便地服務于用戶，智能家居系統(tǒng)采用GSM短消息(SMS)服務來實現(xiàn)遠程報警和遙控功能，用戶通過個人移動電話即可監(jiān)測家用設(shè)備的實時狀態(tài)和報警信息，同時還可通過發(fā)送短消息遠程控制某個設(shè)備的開關(guān)。SIEMENS公司的GSM無線模塊TC35具有可靠的數(shù)據(jù)、語音、短消息服務和傳真四種數(shù)據(jù)傳輸功能。該模塊的工作電壓為3.3～5.5V，可以工作在900MHz和1800MHz兩個頻段，所在頻段功耗分別為2W(900MHz)和1W(1800MHz)。TC35的數(shù)據(jù)接口采用串行異步收發(fā)，符合ITU-T RS-232接口電路標準，工作在CMOS電平。數(shù)據(jù)接口配置：8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無校驗位，可以在300bps～115Kbps的波特率下運行，支持的自動波特率為4.8～115Kbps(14.4Kbps和28.8Kbps除外)[2]。
在進行短信通信之前，通過在/IGT管腳輸出一電壓下降沿激活GSM模塊，待模塊穩(wěn)定之后，設(shè)置短信服務中心號碼和數(shù)據(jù)格式，并進行短信收發(fā)、刪除、查詢等操作。
2.3 GPRS通信模塊
與傳統(tǒng)的GSM相比，GPRS通信的特點是終端可移動、接入時間短、傳輸速度快、按流量計費、可接入Internet網(wǎng)、時時在線[2]等。GPRS網(wǎng)絡(luò)使用TCP/IP協(xié)議棧進行組網(wǎng)，可以實現(xiàn)與Internet網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，但是在傳輸時數(shù)據(jù)格式應該符合TCP/IP協(xié)議棧的數(shù)據(jù)包格式。GPRS網(wǎng)絡(luò)為實現(xiàn)點對點通訊，在數(shù)據(jù)鏈路層上使用PPP協(xié)議，物理層上使用串口通信。因此，實現(xiàn)基于GPRS的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)時需要對數(shù)據(jù)進行打包，并需要在數(shù)據(jù)鏈路層上實現(xiàn)PPP協(xié)議[3]。基于TCP/IP專用模塊的GPRS遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒倘鐖D3所示。
基于TCP/IP專用模塊的移動終端主要由數(shù)據(jù)獲取模塊(數(shù)據(jù)采集卡)、數(shù)據(jù)打包模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊組成。數(shù)據(jù)打包模塊采用ConnectOne公司生產(chǎn)的Iconnector模塊,數(shù)據(jù)發(fā)送模塊采用SIEMENS公司生產(chǎn)的具有GPRS功能的GSM手機模塊MC35。在Iconnector內(nèi)部的Flash中存儲有Internet協(xié)議棧，支持PPP、IP、UDP、TCP、DNS、SMTP、POP3、HTTP、FTP、Telnet等幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。通過AT+i指令設(shè)置并控制Iconnector,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的打包。Iconnector有兩個標準的RS-232串行接口，在標有Modem字樣的一端與MC35相連接，在另外標有Device字樣的一端與數(shù)據(jù)采集卡相連接。用于GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)腁T+i指令如表2所示。
2.4 實時時鐘模塊
為了合理有效地管理各個用戶的數(shù)據(jù)，特別是一些報警數(shù)據(jù)，應該記錄其出現(xiàn)的實時時間。該數(shù)據(jù)采集卡采用了美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘芯片DS1302，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能;DS1302與CPU同步串行通訊，接口只需三根線：/RST、I/O、SCLK;一次可以讀寫1個字節(jié)數(shù)據(jù)或31個字節(jié)的字符串;共有七個數(shù)據(jù)寄存器，即秒、分鐘、小時、日期、月份、周和年份寄存器;命令字的地址從80H～8DH，奇數(shù)為讀，偶數(shù)為寫;一個時鐘周期由下降沿開始，上升沿結(jié)束;寫入數(shù)據(jù)時，在時鐘的上升沿期間數(shù)據(jù)必須保持有效，讀出數(shù)據(jù)時，在時鐘的下降沿期間數(shù)據(jù)有效;如果/RST輸入低電平，中止所有的數(shù)據(jù)傳輸并且I/O呈高阻態(tài);數(shù)據(jù)輸入/輸出的時序是首先寫入一個字節(jié)的命令字節(jié)(讀或?qū)?，后面緊跟8個時鐘周期讀出/寫入一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。
雖然DS1302的功耗很小，但是如果要長時間保證時鐘正常，最好選用小型充電電池或0.1F以上的超級電容作為備用電源。如果斷電時間較短，可以用漏電較小的普通電解電容器代替。DS1302在第一次加電后必須進行初始化操作，之后即可按正常方法調(diào)整時間。
此外，系統(tǒng)還配置了RS-232、RS-485接口和EEPROM數(shù)據(jù)存儲器，方便與其他設(shè)備的連接，并實現(xiàn)掉電數(shù)據(jù)保護功能。
3 Accemic MDE調(diào)試
Accemic MDE是目前市場上能夠調(diào)試Fujitsu 16LX系列不帶仿真器的單片機的首選工具，其監(jiān)控內(nèi)核與應用程序是并行運行的，所以了解其監(jiān)控內(nèi)核的工作方式非常重要。使用Accemic MDE進行調(diào)試應嚴格按照如下步驟進行：
(1)在啟動Accemic之前按以下步驟連接硬件(勿接電源)
(a)將MB90F462置為編程狀態(tài)，即MD0、MD1、MD2、P00、P01分別設(shè)為ON(=0)、OFF(=1)、OFF、ON、 ON。
(b)用串行電纜連接目標板的Bootloader-UART和PC機的COM 端口，(對于MB90460系列，UART0為Bootloader-UART)。
(c)給目標板加電。
(2)啟動Accemic調(diào)試環(huán)境
(a)打開preference|systerm菜單，設(shè)置CPU類型、封裝形式、工作時鐘、倍頻數(shù)、通訊波特率、復位線路和COM端口號等。
(b)按下“Download Monitor”按鈕導入監(jiān)控內(nèi)核;
(c)使目標系統(tǒng)處于復位狀態(tài)，將單片機切換到工作狀態(tài)，即MD0、MD1、MD2、P00、P01分別設(shè)為OFF、OFF、ON、X、X。
(d)退出復位狀態(tài)，此時可以通過監(jiān)控內(nèi)核訪問目標系統(tǒng)。
(e)按下“Connect”按鈕開始連接調(diào)試。
(3)Accemic MDE調(diào)試注意事項
(a)調(diào)試前將位于Accemic MDE的安裝目錄C:programsAccemicMDEinclude下的文件“monitor.asm”添加到用戶工程中;如果要使用目標信息功能，要在應用程序中包含“monitor.h”文件(與monitor.asm在同一目錄下)。
(b)如果 Bootloader-UART未使用外部時鐘，不要使用改變PLL時鐘寄存器的功能。PLL時鐘可以通過“start.asm”中的設(shè)置來修正，確保其中CLOCKSPEED的設(shè)置為NOCLOCK。
(c)調(diào)試時不能改變 Bootloader-UART中斷級別及Bootloader-UART的寄存器設(shè)置，注意在文件“vectors.c”中不要覆蓋Bootloader-UART的中斷級別。
(d)如果要使用看門狗定時器，需要開啟Accemic MDE的看門狗定時器自動更新功能，即在程序中調(diào)用acc_WatchdogEnable( )函數(shù)。
(e)調(diào)試中為了讓Monitor能夠進入中斷服務程序中的斷點，必須滿足兩個條件：一是在程序中允許中斷，即調(diào)用__EI( )函數(shù);二是中斷服務程序的中斷級別高于7(因為Bootloader-UART的中斷級別是7)。
(f)MB90F462帶有兩個UART，其中UART0是BootloaderUart，用于在線調(diào)試和燒錄程序，也可以和用戶程序復用。復用時需要調(diào)用Accemic MDE中定義的函數(shù)acc_KernelUART(1)，參數(shù)默認值為1，表示UART0用作正常的用戶程序通信;參數(shù)默認值為0，表示UART0用作調(diào)試接口，用戶程序中沒有用到UART0時不需要調(diào)用此函數(shù)。
綜上所述，該數(shù)據(jù)采集卡提供8路模擬量輸入及8路開關(guān)量輸入接口，具備兩路RS-232接口，支持RS-485、RS-232、3.3V、5V等多種輸入電平，可以實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和遠程傳輸，遠程通訊及傳輸方式有GPRS和SMS;而且可以對現(xiàn)場設(shè)備實行遠程開關(guān)量控制。該數(shù)據(jù)采集卡傳輸與協(xié)議轉(zhuǎn)換透明化，使用方便、可靠，而且配備系統(tǒng)配置和維護接口，方便現(xiàn)場維護，可普遍應用于遠程監(jiān)控、遠程儀表數(shù)據(jù)讀取等場合。