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)。

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(duì)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(duì)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(tái)。

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(duì)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?cè)诂F(xiàn)代社會(huì)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。

    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(duì)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(duì)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(qǐng)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(duì)室內(nèi)的防區(qū)或電器進(jìn)行操作。一旦對(duì)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(qǐng)求信息服務(wù)的命令，那么RC對(duì)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(qǐng)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(shí)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(shí)別模塊。使用者只有通過終端的身份識(shí)別后，才具有終端的某種使用權(quán)限。并且在身份識(shí)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(dòng)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(qǐng)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(dòng)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(qǐng)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(duì)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(duì)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(dòng)能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)圖形和文本混合顯示。

單片機(jī)對(duì)LCD采用直接訪問方式，將LCD作為存儲(chǔ)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(hào)。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(hào)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(duì)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(duì)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(duì)終端整體數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽?/P>

2．4 身份識(shí)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(shí)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(duì)使用者進(jìn)行身份識(shí)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(duì)卡進(jìn)行操作；讀卡器通過射頻信號(hào)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(chǔ)的數(shù)據(jù)對(duì)用戶進(jìn)行身份識(shí)別。只有身份識(shí)別通過后，使用者才能對(duì)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(huì)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(dòng)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(qǐng)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(qǐng)中斷，提請(qǐng)單片機(jī)啟動(dòng)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?？刂谱值闹饕δ苁峭ǖ肋x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(dòng)

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(jí)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(jí)功能操作菜單以等待選擇。后續(xù)菜單的顯示采用分級(jí)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(shí)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。