【开题报告】基于以太网的智能家居通信模块设计

开题报告

电气工程及其自动化

基于以太网的智能家居通信模块设计

一、选题的背景与意义：

智能家电远程控制系统是一种利用网络通讯技术、智能控制技术、电子技术等多种技术为一体的现代家电控制系统。智能家电远程控制系统的出现可以减少人们对保姆的依赖，提高家用电器的使用灵活性，大大减少家用电器的使用对人们在时间上、空间上造成的束缚，从而提高人们的整体生活水平。总而言之，智能家电远程控制是未来家电发展的必然趋势。

实际智能家电如：家庭局域网、电话小交换、电视分配、灯光控制系统、家电远程控制系统、电动窗帘等。

现代家庭有多种家用电器，分布于一套房子的各个角落。要实现家电的远程控制，必须建立一个小型的控制网络来集中进行控制。

以太网技术已经愈来愈广泛地运用于智能家居系统。本设计目标通过以太网接口，实现上位机与通信模块的数据传输。

二、研究的基本内容与拟解决的主要问题

本课题主要内容是完成通过上位机与通信模块的数据传输。该课题涉及C语言、数字电路、模拟电路、单片机、嵌入式系统、PCB综合布线等方面知识。

基本内容：

1、掌握TCP/IP协议相关技术。

2、选用合适的芯片，能有效地实现以太网数据的收发。

3、编写WEB程序，通过WEB服务访问接口。通过浏览器键入IP地址，网页直观显示部分功能。

三、设计的总体方框图

总体方案如图1所示:

图1 总体方案

3.1器件选择：

3.1.1太网控制器的选择和分析

目前市场上大部分以太网控制器都是专为个人计算系统设计的，既复杂、又占空间，封装均超过80 引脚，本方案以太网控制器采用Microchip 的ENC28J60 芯片，其为嵌入式应用提供一种低引脚数、低成本且高效易用的远程通讯解决方案。ENC28J6符合IEEE802.3 协议，且只有28 引脚，这样可以大大简化相关设计，并可以减小板空间。此外，ENC28J60 以太网控制器采用业界标准的SPI 串行接口，只需4 线便可与主控单片机进行通讯，ENC28J60 以太网控制器的主要功能包括：

①符合IEEE 802.3 协议，集成10 Mb/s 以太网物理层器件（PHY）及媒介接入控制器（MAC可按业界标准的以太网协议可靠地收发信息包数据；

②支持单播、组播和广播数据包，可编程数据包过滤，并在以下事件的逻辑“与”和“或”结果为真时唤醒主机，减轻主控单片机的处理负荷；

③10 Mb/s SPI 接口：业界标准的串行通讯端口，低至18 引脚的8 位单片机也具有网络连接功能；

④可编程8 KB 双端口SRAM 缓冲器：以高效的方式进行信息包的存储、检索和修改，以减轻主控单片机的内存负荷。该缓冲存储器提供了灵活可靠的数据管理机制。

封装类型：

图2 一种28J60封装图

3.1.2控制器的选择和分析

方案选择STM32F103VC芯片为整个接口电路的控制核心，STM32是基于ARM Cortex-M3内核的32位处理器，具有杰出的功耗控制以及众多的外设，最重要的是其性价比，现在STM32低配置的芯片，价格在10块钱左右。。并且具有以下优点：

（1）基于 ARM Cortex-M3核心的32 位微控制器,LQFP-100封装.

（2）256K 片内FLASH ,48K片内RAM ,片内FLASH 支持在线编程(IAP).

（3）高达72M 的频率,数据,指令分别走不同的流水线,以确保CPU运行速度达到最大化 .

（4）通过片内BOOT 区,可实现串口下载程序(ISP)

（5）片内双RC 晶振,提供8M 和32K 的频率

（6）支持片外高速晶振(8M),和片外低速晶振(32K).其中片外低速晶振可用于CPU 的实时时钟,带后备电源引脚,用于掉电后的时钟行走.

（7）42个16位的后备寄存器(可以理解为电池保存的RAM),利用外置的纽扣电池,和实现掉电数据保存功能.

（8）支持 JTAG,SWD 调试.配合廉价的J-LINK,实现高速低成本的开发调试方案

（9）多达80个IO(大部分兼容5V逻辑),4个通用定时器,2个高级定时器,2个基本定时器,3路SPI接口,2 路I2S 接口,2路I2C 接口,5 路USART,一个USB从设备接口,一个CAN 接口,SDIO接口,可兼容SRAM,NOR 和NAND Flash 接口的16 位总线-FSMC.

（10）3路共16 通道的12位AD 输入,2 路共2 通道的12位DA 输出.支持片外独立电压基准. （11）CPU 操作电压范围:2.0-3.6V.

封装类型：

图3 一种STM32封装图

3.2硬件设计

以下是上位机与通信模块的数据传输原理，分析其工作原理。

图4 工作原理图

3.2.1 时钟振荡器

ENC28J60需要一个25 MHz 的晶振,接在OSC1和OSC2脚上;也可由外部时钟信号来驱动。此时3.3 V 的外部时钟接在OSC1脚上,OSC2断开或者通过一个电阻接地来降低系统噪声。

3.2.2 振荡器启动定时器

ENC28J60内部有一个振荡器启动时钟OST(Oscilla-tor Start-up Timer),上电7 500个时钟周期(300μs),OST 期满后内部的PHY 方能正常工作。这时不能发送或者接收报文。上位机可通过检测

ENC28J60内部ESTAT 寄存器中的CLKRDY 位的状态来决定是否可设置发送或接收报文。需要注意的是,当ENC28J60上电复位或者从PowerDown 模式下唤醒时,必须检测ESTAT 寄存器中的CLKRDY 是否置位。只有CLKRDY 置位后才能发送、接收报文,访问相关寄存器。

3.2.3 时钟输出引脚