（通信与信息系统专业论文）电热水器远程控制器的实现及基于sopc的设计.pdf

摘要本课题来源于我校承担的广东天力卫厨设备厂的“电热水器控制器”开目。本项目除了通常对电热水器的安全性和水胆温度的自动控制等要求外，望所设计的控制器具有恒温出水控制、远程开关控制等功能。恒温出水功能控制一个直流电机的正、反转来调节冷、热水的混水比例，从而达到出水温制的目的。本文主要论述电热水器中远程控制功能方案的设计和实现。本文的除了要实现目前产品要求的功能外，还希望能满足未来升级的需要，即实于可编程片上系统( s o p c ) 的电路设计。对第一个目标，本文对所要求的远程控制功能，通过对几种技术方案进证和对比，确定了用无线寻呼方式实现电热水器的远程开关控制问题，实现该方案设计的具有远程控制功能的控制器。本设计能够符合期望的性能价年同时达到“两个兼用”的目标，即远程控制和其他控制兼用一个微处理器；机兼做脱机单独使用和联机控制使用。为了达到此目的，从技术上利用软解方法，使寻呼系统和热水器控制系统的互连达到最简和兼用，同时降低了系造价。两个兼用带来的困难是编程工作量和难度的增加。本文通过合理选择理器、i o 口的复用设计和程序的优化达到了设计指标，硬件调试工作已经完成。本课题的另一个要求是实现以上功能的可编程片上系统( s o p c ) 设计于可编程电路( p l d ) 技术的进展，数十万门规模的p l d 的价格已经到了应用可以接受的程度，这一规模的电路允许将一个8 位或3 2 位的m c u ( 微器) 和外围电路内置到一个可编程芯片中，从而实现可编程片上系统。虽然s是一个比较新的设计方法，考虑到产品升级的可能和各种其他应用前景，本求实现以上控制功能的s o p c 设计。作为s o p c 的基础，本文将无线寻呼实程控制的核心部分，即p o c s a g 码的解码电路用v h d l 硬件描述语言加以该设计已经通过e d a 工具的综合、仿真和下载等步骤并证明完全可行。在础上，做出了用x i l i n x 公司的可编程s p a r t a n 系列芯片和该公司所提供的m c u 软核( i pc o r e ) 实现s o p c 的方案做出了初步设计，各程序模块分过调试。关键词：电热水器，远程控制，p o c s a g 码，s o p ca b s t r a c tt h es u b j e c td e s c r i b e di nt h i sp a p e ri sp a r tw o r ko ft h ep r o j e c tc o n t r o l l e rf o re l e c t r i c a lh o m eh e a t e re n t r u s t e db yz h o n g s h a nk i t c h e nd e v i c ef a c t o r yi ng u a n g d o n g b e s i d e st h eb a s i cr e q u i r e m e n t so fau s u a lh o m eh e a t e rl i k es a f e t ya n da u t o c o n t r o lo nw a t e rt e m p e r a t u r ei nt a n k ，t h en e wo n ew a ss u p p o s e dt oh a v em o r ef u n c t i o n s ，t h em o s ti m p o r t a n to n e so fw h i c ha r et e m p e r a t u r ec o n t r o lo no u t l e ta n dr e m o t e - s w i t c ho n o f ft h em a c h i n e t h ef o r m e rf u n c t i o ni sr e a l i z e db yc o n t r o l l i n gas m a l ld cm o t o r t h er o t a t i o no ft h em o t o ri sc o n t r o l l e da c c o r d i n gt ot h et e m p e r a t u r eo ft h eo u t l e t ，t h ec h a n g i n go fm o t o r sr o t a t i o nc h a n g e st h ep r o p o r t i o no fc o l dt oh o tw a t e rt oa d j u s tt h et e m p e r a t u r et ot h ep r e s e tv a l u e t h i sp a p e rm a i n l yd e a l sw i mt h el a t t e rf u n c t i o ni et h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fr e m o t es w i t c hc o n t r 0 1 t h eg o a li sn o to n l yt h ec u r r e n tr e q u i r e m e n t sf o rt h ep r o j e c tb u ta l s ot h ef u t u r ep o s s i b i l i t yo fp r o d u c tu p g r a d e f o rt h i sr e a s o nt h es o p cd e s i g na n dr e a l i z a t i o ni sg i v e ni nt h i sp a p e r f o rt h ef i r s tg o a l ，s e v e r a lp o s s i b l em e t h o d sa r ed i s c u s s e dt e c h n i c a l l ya n de c o n o m i c a l l y a sar e s u l t ，as c h e m eb a s e do nb pc a l lm a c h i n ei sp u tf o r w a r d t h er e a l i z a t i o no ft h es c h e m er e a c h e st w ob e n e f i t s f i r s to fa l l ，j u s to n em c ui su s e df o rb o t ht a s k si ne i t h e rr e m o t ec o n t r o lo ra l lo t h e rf u n c t i o n s s e c o n d l y t h eb pc a l lm a c h i n ei su s e di nt h ew a yo fp l u g i na n dp l u g o u t ，s ot h a ti tc a nw o r ka se i t h e rac o n t r o l l e ro r j u s ta ni n f o r m a t i o nm a c h i n e t h ek e yp r o b l e mf o rt h i sb e n e f i ti st os o l v ep o c s a g sd e c o d e ru s i n gm c u sp r o g r a mi n s t e a do fd e c o d i n gb ys p e c i a lc h i p i nt h i sw a y , t h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h eb pa n dt h eh e a t e rb e c o m e ss i m p l ea n di n d e p a n d e n t t h ea d d i t i o n a la d v a n t a g ei st or e d u c et h ec o s to f r e a l i z a t i o n a t t h eo t h e rh a n d ，t h es o f t w a r ed e c o d e rm a k e sp r o g r a m m i n gm o r ec o m p l e xa n dd i f f i c u l t c a r e f u lw o r ko nm c us e l e c t i o n ，m u l t i u s eo fi op o r t sa n dp r o g r a mo p t i m i z a t i o ni sd o n ef o rt h er e a l i z a t i o n n o wt h eh a r d w a r ed e b u g g i n gi sf i n i s h e da n dt h ew h o l ec o n t r o l l e rw o r k ss u c c e s s f u l l y t h es e c o n dg o a li st h er e m o t ec o n t r o ld e s i g nb a s e do ns o p c t h ed e v e l o p m e n to fp l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) i sm a k i n gt h ep r i c et e n d i n gt oa p p l i c a t i o n so fc o n s u m e rp r o d u c t s f u r t h e r m o r es e v e r a lk i n d so f8 1 3 2b i tm c uc o r e sa r ea v a i l a b l et oi iu s e r s t h i sm a k e ss o p cp o s s i b l e t h ef i r s ts t e pf o rt h i sg o a li st od e s i g np o c s a g sd e c o d e ru s i n gv h d lw h i c hw i l la c t a saf u n c t i o nc o t ei nt h ef u l ld e s i g no fh e a t e rc o n t r o l l e r t h ep r o c e s si n c l u d i n gc o m p i l i n g ，s y n t h e s i z i n ga n ds i m u l a t i o ni ss u p p o r t e db ye d at o o l s ，a n da tl a s tt h ed e s i g ni sd o w n l o a d e dt oa l lf p g ac h i p i ts h o w st h a tt h ed e s i g nw o r k sp r o p e r l y t h e na n8b i tm c up i c o b l a z ed e v e l o p e db yx i l i n xc o m p a n yi su s e df o rt h ef u r t h e rs o p cd e s i g no fr e m o t ec o n t r o l l e r t h ec i r c u i ts t r u c t u r ea n dr e a l i z a t i o na r ed i s c u s s e da n dm o s tc o m p o n e n t sa r ed e b u g g e ds u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：h e a t e r ，r e m o t ec o n t r o l ，p o c s a g sd e c o d e r ，s o p c1 1 i郑州大学硕士研究生论文第一章引言本文涉及一种电加热热水器控制器的设计。简单意义上只要有一个足够功率的电加热管和一个热继电器即可实现其基本功能。随着电子技术和计算机技术的飞速发展，网络技术和通信技术的融合，人们有可能对家居的自动化和信息化程度提出越来越高的要求，生产厂家也愿意迎合用户对家用设备控制的灵活性以及对外部信息获取的方便性所提出的新要求。嵌入式系统因它的灵活性和廉价优势在这一进程中担当了不可或缺的角色。所以从目前电热水器市场看，一般基于m c u的控制器从安全性和方便性角度出发至少具有以下功能【l j 。0 水胆的恒温控制。一般允许将水胆内的冷水加热到8 0 c 以下的某个设定值。由于目前市售的热水器内胆多是非承压的容器，当胆内温度超过8 0 时，水胆内可能会因水汽的压力过大造成水胆漏水。o 防止干烧。防止由于意外原因在水胆尚未注水情况下的加热管干烧。0 上水停电。为安全起见，当用水时( 有上水) 自动切断电源。o 水胆温度设定和显示。本课题的第一个目标是设计一个基于嵌入式系统的电热水器控制器，除了以上基本功能，还须具有热水出口温度的设定、控制和远程开关控制的功能。出水温度的控制是通过一个小的直流电机的正反转带动一个阀门的阀芯，阀芯的转动可以控制冷热水的混合比例，从而达到出水温度的控制。本文主要讨论远程控制功能的设计和实现。远程开关控制功能的目的是能使用户在外出时通过通信工具在需要时以远程方式打开( 或关闭) 热水器。由于电热水器的热惯性很大，所以用户如果可以在下班以前就能启动加热，则可以在到家后直接使用。另一方面，用户在较长时间外出前可能忘记关掉热水器，这一功能允许用户实现远程关机。本文描述该远程控制部分的方案设计和实现，要求充分利用m c u 资源以降低成本，即远程控制和其他控制兼用一个微处理器。同时寻呼机应该作为用户的选购件，即寻呼机与热水器是外部连接的，只有选购了此部件并在想用作控制器用时才将寻呼机通过插口连到热水器上，所以寻呼机也可脱机单独使用。本文通过三种传输信息的方法，即利用电话控制、无线寻呼控制和通过电力线载波控制的探讨，选择性能价格比较好的无线寻呼方案。无线寻呼作为信息传输的介质在信息媒体如此繁多的今天无疑已经走向衰落，但是如此庞大的一个无郑州大学硕士研究生论文线网络又具有如此低廉的价格，对于实现一些简单控制为目的的电子设备则是很好的选择。从国外的发展情况看，这一行业的必然趋势是改变原来以信息服务为主的做法，成为以控制服务为主的业务。我们期望通过这一实现，能够在类似的控制领域为其找到应用前景，使这一网络能因更换角色而继续生存。利用无线寻呼实现远程控制的核心问题是解决信号的接收和解码的问题。最简单的当然是选用专用芯片解决，但是作为消费类电子的电热水器，价格是其在市场生存的十分敏感的因素。所以对于控制器的要求必然是尽量利用已有的微控制器实现附加的控制功能。第一要选择微控制器。目前家用电器主要是单片机作为核心，价格因素是形成这一选择的主要原因。目前国内可以见到的单片机种类少说有几百种，考虑到维护升级的方便、技术支持的获得和开发工具的价格等因素，以选择主流厂家和主流芯片为宜。本设计选用在国内较为流行的微芯( m i c r o c h i p ) 公司的m c u 作为控制核心。其次是解决解码和控制的实现问题。为了降低硬件成本和增加硬件系统的灵活性，本设计采用一个单片机实现热水器的其他任务和实现p o c s a g 格式数据流的接收和解码，采用软解码是系统实现的关键。基于单片机的系统设计在价格上具有优势，但是在设计周期和设计成本方面并不占有优势，特别是对于像热水器控制器这样的系统。它的程序并不是以算法为主，而是以i o 口的信号获取和控制信号的发出为主，所以用c 语言一类的工具不会获得好的效果，其结果是产品的每一次升级都相当于重新开发。这一不利因素在产品生命周期越来越短的今天更加凸现。另外的缺点是电路的保密性较差，产品容易被抄袭。虽然推出了一些号称“无法破密”的芯片，但是事实证明并非如此。为了解决这一问题，本课题的另一个要求是实现以上设计的可编程片上系统( s o p c ) 的设计。s o p c 的实现有赖于设计工程师的三个方面的知识和经验。第一方面是用硬件描述语言来实现电路功能的能力。设计工程师长期以来熟悉的是用电路图来实现自己的设计，虽然用硬件描述语言可以从抽象的功能层面而不是现有芯片选择的层面来做描述，使设计人员可以摆脱过于依赖对硬件知识的了解的局限，但是实际上由于这一方法尚没有为广大设计人员所了解，因此目前并没有得到广泛应用。随着所设计的系统越来越大，对设计周期的要求越来越郑州大学硕士研究生论文短，这一方法必然成为趋势。作为s o p c 设计的第一步，本文将无线寻呼实现远程控制的核心部分，即p o c s a g 码的解码电路用v h d l 硬件描述语言加以实现，利用e d a 软件对所设计的“软器件”实现了综合、仿真，并下载到可编程逻辑芯片中。以上各个步骤均已经通过验证证明可以达到设计目标。第二方面，现代e d a 工具的设计提出了t o p d o w n 设计的概念。传统设计方法是基于b o t t o m u p 的，即从芯片的选择出发，向功能靠近。由于硬件描述语言不仅可以用来描述电路结构，而且可以做功能描述，所以完全可以从功能( t o p )出发对设计加以描述，由计算机和e d a 工具来一步一步走向电路( d o w n ) 设计是有吸引力的方法。但这一方法对向来熟悉电路设计的人员是一个挑战要求他们熟悉功能的描述方法和e d a 工具的使用。第三方面是片上系统( s o c ) 的知识和经验。由于以上两方面的技术进步，使得一向需要用若干集成电路实现的设计，有可能在一个芯片上实现即所谓的片上系统s o c ( s y s t e mo nac l l i p ) 。对于设计尚未修改成熟或用量很小的电路，用专用集成电路( a s i c ) 流片来实现片上系统显然是不经济的。所幸的是，由于可编程电路( p l d ) 技术的进展，数十万门规模的可编程电路价格已经到了一般应用可以接受的程度，这一规模的电路已经允许将一个8 或3 2 位的软m c u ( 微控制器) 和所有的外围电路内置到一个可编程芯片中，从而实现可编程片上系统。这种嵌有m c u 的可编程芯片实现的片上系统称为s o p c ( s y s t e mo nap r o 掣a m m a b l ec h i p ) 。考虑到产品升级的可能，或者将本设计的远程控制功能作为一个独立的“核”供其他需要者使用，本课题要求对所选择的方案实现s o p c 设计。本文在用硬件描述语言实现p o c s a g 码的解码的基础上探讨了用x i l i n x 公司的可编程芯片和该公司所提供的8 位m c u 软核( i pc o r e ) 实现s o p c 的方法并通过了各程序模块的调试。郑州大学硕士研究生论文第二章电热水器远程控制方案的探讨2 1 设计指标的确定具有远程控制功能的电热水器控制器希望能够满足用户在离家状态控制热水器的开和关的需求。这一需求一方面源于电热水器的热惯性比较大，如果从室温开始启动，将容量为4 0 升( 中等容量，大约是一个半人洗澡所需的水量) 的热水加热到8 0 度( 水箱设定温度的上限) 大约需要4 小时。对于上班前关机的用户( 出于省电的目的) ，想在下班后立即用热水是有困难的。如具有提前启动的功能，对于这类用户是有吸引力的。另一方面是出于安全的考虑。人们长时间外出时，有可能会忘记热水器，或者离家后忘记是否已经关掉热水器，希望能够通过远程控制手段“再关一遍”，以确保安全。这一需求实际也可以发生在其他类似的电器设备上。根据这一要求，我们从技术上确定了实现此方案的若干指标。远程控制方案必须能与原有控制器其他功能合用一个单片机以减少设备的复杂性和降低成本。远程控制部分应占用尽可能少的i o 口，以便其他显示等功能使用后仍留有空余的备用i 0 口。根据热水器的售价，所增加的成本应该在2 0 元以下。控制方案应尽量采用成熟技术，以保证产品的可靠性。控制方案应便于产品升级，能方便地移植到片上系统。本章对可能的方案作了技术和经济分析，以确定满足上述要求的方案。2 2 家居网络自动化概述家用电器的控制问题可以归结为智能家居的问题，事实上，智能家居在近年内已经成为一个研究热点。智能家居与智能办公大楼不同，办公大楼的智能化是办公自动化( o a ) 、楼宇自动化( b a ) 及通信自动化( c a ) 的统一，而民用住宅的自动化则更注重自动报警、防火保安、自动调节室内温度和设备的控制等，因此要求其小型化以便进入家庭【2 】。目前已有多种智能家居的标准，如与广域网相关的通信标准t c p i p 、d o c s i s 、x d s l 等，与家庭网络相关的通信标准c e b u s 、l o n w o r k s 、i e e e l 3 9 4 、h o m e p n a4郑卅l 大学硕士研究生论文等，与服务传输相关的标准o s c i 、p s t n 等以及内嵌式实时操作系统如v x w o r k s 、p a l m o s 、q n x 等【3 】【4 】【5 】。从其使用的物理介质看，有基于电话、网络的和基于电力线的等3 】【6 】1 7 】【8 】。从使用的系统看，有基于嵌入式系统【9 】、机顶盒、电脑和片上系统( s o c ) 的等。其中以基于电力线载波的家居系统发展较为迅速1 1o 】f 】【1 2 】【1 3 】，国际上已经有像h o m e p l u g ( w w w e d n m a g c o m ) 这样的由多家大企业联合组成的机构【1 4 1 ，专门致力于利用电力线载波的数据通信。对于已经建立家居控制系统的家庭来说，电热水器的控制问题只是在这个系统上增加一个被控对象而已。问题在于目前国内尚没有在一般家庭中建立这样的环境。而通过建立环境来完成一个单一对象的控制是不经济的。而且，大部分的家居系统是着眼于高速的数据传输或多媒体信息的传输，即使是基于嵌入式系统的家居系统也是如此。因此，对于我们以实现单一电器控制为目的的任务，显然需要摆脱家居自动化系统的束缚，考虑自己的设计方案。从技术上看，可以考虑的手段是基于电话的控制，利用电力线载波实现远程控制，借助无线寻呼方式实现远程控制。以下对各种方案进行讨论和比较。2 3 基于电话的远程控制海尔已经推出了一种可用电话远程控制的电热水器。实际上，用电话实现远程控制的方法早已有报道【6 l 【1 5 】1 1 6 】。通常的做法是通过用双芯电话线与被控对象相连接进行信号传输，系统使用一个双音多频解码器( d t m f ) 和一个语音芯片，通过单片机完成控制。使用时，用户接通电话后，存储的语音会提示用户对不同的要求拨不同的拨码以实现不同的控制，操作过程类似于电话卡的使用。整体结构如图2 1 所示。图2 1电话控制方案的示意图郑卅l 大学硕士研究生论文由图2 1 可见，电话拨号远程控制系统由振铃检测电路、自动摘机电路、双音多频( d t m f ) 信号解码电路等部分组成。目前已有多种专用的d t m f 解码芯片供选用，如m i t e l 公司的m t 8 8 7 0 ，c a l i f o r n i am i c r od e v i c e 公司的c m 8 8 7 0 c等。语音芯片也有多家公司的产品供选择。有些单片机台湾凌阳公司的s p c r 系列的8 位单片机上甚至集成了音频信号处理器、麦克风输入口和自动音量控制( a g c ) 等，可以存储约1 2 秒的语音信息，非常适合这类用途【l7 1 。振铃检测电路将电话线送来的9 0 伏正弦铃流楚形成单片机能识别的矩形脉冲输入到单片机的中断口，单片机检测到设定的铃流次数后产生中断从输出口产生的一个控制电平使自动摘机电路的继电器吸合，这时话路被接通，单片机同时控制语音板向拨号者播放语音“请输入密码”之类的语音提示，这时用户可以输入约定的密码。拨号产生的双音多频信号就通过d t m f 解码芯片的解码电路，送入单片机检验。若输入的密码与预先设定一致，单片机控制语音板播放语音“请输入控制代码”，用户可以继续输入约定的控制代码对对象进行控制操作。如输入的密码不符，则系统会自动退出。至于实现某种控制所需用户拨的特定代码是可以由厂家设定好后在说明书中说明供用户使用的。所以实际上一个控制系统可以控制多个设备并且产生多个控制动作。可以看出，本方案采用了少量芯片即实现了控制功能，并且与单片机具有良好的接口性能。从经济上看也是很有吸引力的，总体增加的成本约1 0 2 0 元。另外的优点是具有良好的保密性，即在不知道密码的情况下，任何人都无法实现遥控操作。在抗干扰能力和可靠性方面也能满足要求。它的主要缺点是需单独敷设电话线。在对家庭装修越来越讲究的今天，要求已经装修的家庭实现电话连接是很困难的。此外，由于电路既有模拟电路又有数字电路部分，对于未来可能的s o c实现也有困难。2 4 电力线载波实现远程控制电力线载波通信( c a r t i e r c u r r e n tt r a n s c e i v e r ) 简称c c t ，或p l c t ( p o w e rl i n ec a r r i e rt r a n s c e i v e r s ) 是利用电网的电力线作为传输信道，以载波的方式进行数据或语音通信。作为通讯技术的一个新兴应用领域，由于它不占用现有的通讯频率资源，所以该技术以其诱人的前景及巨大的潜在市场而为全世界所关注，成为世界各大公司及研究单位争相研究的热点。所有的有线通信方式中，电力线载波通道6郑州大学硕十研究生论文是最直接、最经济的通信媒介。2 4 1 技术背景用模拟技术在电力线上传递载波信号已经有很久的历史了。但是由于设备的复杂性，c c t 主要用于电力部门内部的语音通信1 9 1 。近年来，由于技术的进步和集成电路的飞速发展，实现c c t 的难度大为降低。目前h o m e p l u g 【1 卅已经可以达到在家庭的电力线上传输1 4 m b p s 的数据信号，并且推出了q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 服务规范。该组织期望有8 0 的家庭插座可以以高于5 m b p s 的速率互联，而其中9 8 的插座的速率可达1 5 m b p s 1 4 。2 4 2 主要技术规范早在1 9 9 2 年国际标准化组织i s o 就对电力线数据系统作过说明。它一般分低速率数据传输( 如1 2 0 0 b p s ) 和高速率数据传输( 如1 9 2 0 0 b p s ) 。低速率采用频移键控( f s k ) 调卷4 方法。每个字符组包括一个启始位( 低逻辑电平) ，8 个数据位和一个停止位( 高逻辑电平) 。数据包均由启始头文件引导。数字信号经过数模转换，以5 5 k h z 士2 的载频，用电压注入方式叠加在三相交流电上。通信两端采用异步、半双工方式收发信号，信号电平6 v r m s ，接收灵敏度l m v r m s 。为了与高速率数据通信兼容，其带外频谱功率小于l m v r m s 。低速率数据传输一般用于范围小、数据采集量少的场合，如电表、水表的抄表系统，家庭自动化的方面。高速率数据传输系统属于宽带信号通信。采用扩频技术、网络阻抗适应技术，以同步全双工通信方式进行高可靠性通信，数据信号采用二相相移键控( b p s k ) 方法。高速率电力线通讯设备理论上可以组成电力线局域网和广域网。由于它抗干扰性强，又不用铺设通讯电缆，很适合于采油、矿井、生产车间等干扰严重的数据传输场合【2 0 】。2 4 3 主流的电力线载波芯片使用电力线作为网络媒介的优点是：电力线和信号线合一，无需另外布设信号线，人们原来使用和维护电器的习惯也都不受影响；家电无须增加双绞线、红外等接口，只要在内部配备电力线载波通信芯片，再更新程序就行了，对老式家电的改造也很容易；家电的信息量小，电力线载波速度慢的缺点不突出；由于通7郑州大学硕士研究生论文讯的底层功能已实现了芯片化，所以接入设备比较便宜。目前市场上此类芯片有l m l 8 9 3 ( i n 家半导体) 、s t 7 5 3 6 ( s g st h o m s o n 公司) 、s s c - p 3 0 0 ( i n t e l l o n 公司) 等。( 1 ) s t 7 5 3 6 t 2 1 1 是s g s t h o m s o n 公司专为电力线载波通讯而设计的m o d e m 芯片。由于它是专用m o d e m 芯片，传输速率为6 0 0 b p s 或1 2 0 0 b p s 。除具有一般m o d e m芯片的信号调制解调功能外，还针对电力线应用加入了许多特别的信号处理手段。( 2 ) l m l 8 9 3 1 2 2 】是美国n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 公司生产m o d e m 芯片，它采用的是f s k 的调制解调方式，数据率可达4 8 k b p s ，是比较早的产品。( 3 ) s s cp 3 0 0 1 2 3 】是i n t e l l o n 公司采用现代最新通讯技术设计的电力线载波m o d e m 芯片。它采用半双工方式工作，利用a s k ( 振幅移位键控) 和p p 。k ( 反相键控)两种方式对载波进行调制，传输速率可达1 0 k b p s 。它采用了扩频( c h i r p 方式) 调制解调技术、现代d s p 技术、c s m a 技术以及标准的c e b u s 协议，可以称为智能m o d e m 芯片，体现了m o d e m 芯片的发展趋势。2 4 4 系统构成图2 2电力线载波实现的远程控制结构图由以上的分析可知，电力线载波应用于家庭自动化中是一个不错的方案。在家用电器的控制中电力线传输的距离很短，信号衰减不大，信息量也很小，不需要很高的传输速率。家用设备控制的电力线载波芯片可以选用类似s g s - t h o m s o n 公司的s t 7 5 3 6 一类的芯片。s t 7 5 3 6 的最高传输速率为1 2 0 0 b p s已能满足中低速的家庭自动控制中。其控制结构如图2 2 所示。但是作为本设计要达到的目的，采用此方案有以下问题。( 1 ) 要求m c u 至少需要增加7 个i o 端口，如果想与原有的功能共用一块郑州大学硕士研究生论文单片机，则1 1 0 口不够。( 2 ) 由图2 2 可知，即使采用了电力线方案，仍然借助于电话将远端信号传输到家庭，才能接驳到电力线。所以虽然可以免去从热水器到电话端的布线，对于单一设备的控制采用此方案是不经济的。( 3 ) 电力线载波芯片本身的价格也超出了指标设定的范围。( 4 ) 同电话方案一样，系统对于未来的s o c 实现有困难。2 5 无线寻呼远程控制2 5 1 背景移动通信的迅猛发展，使传统的寻呼业面临着巨大的挑战。寻呼业的衰落看来成为必然趋势。从国外的发展历程看，如果改变传统的以信息传输为主要目的，利用寻呼系统已经建立的巨大的无线网络覆盖能力，将远程控制作为其主要目的，则有可能使该行业通过重新定位而延长其生命周期，从而将已经建立的广泛覆盖的无线寻呼网络资源加以再利用。要解决利用无线寻呼控制系统实现远程控制，寻呼码的接收是一个关键问题。必须有简单、快捷、廉价的方式解决单片机和寻呼系统的连接同时识别寻呼码。下面对寻呼信息编码的格式作一介绍。2 5 2 寻呼信息编码格式简介目前，寻呼系统普遍采用的是国际寻呼一号码( p o c s a g ) 2 4 】( 2 5 1 。p o c s a g的编码格式如图2 3 所示。一次完整的寻呼信号编码包括前置码和若干组码，每组码以同步码字( s c ) 起始，后面带8 个帧，每帧含有2 个码字。图2 3p o c s a g 的编码格式前置码采用来回反转的1 0 1 0 一码，重复周期至少5 7 6 b i t ，用于位同步，s c9郑州大学硕士研究生论文( 3 2 b i t ) 码，用于帧同步。一组码中有8 帧，编号为0 7 ，每帧两个码字，一组有1 7 个码字，它们是一个同步码和1 6 个码字，每个码字3 2 b i t ，共( 1 + 1 6 ) + 3 2 = 5 4 4 b i t ，每个码字开始的第一比特为标志位，当标志位为0 时，表示这个码字是地址码。当标志位为“1 ”时，表示这个码字是消息码，码字结构如表1 所示。其中监督码采用b c h ( 3 1 ，2 1 ) 码，生成多项式为g ( x ) = x l o + x 9 + x 8 + x 6 + x 5 + x 3 + 1 。比特序列12 1 92 0 2 12 2 3 13 2地址码功能比字0地址j i 盏督码偶校验特消息码字1信息监督码偶校验表2 1p o c s a g 码字结构2 5 3 寻呼信息的截取方案信息的截取要求用简单、低成本的办法解决接收端的解码问题。同时也要考虑进行一定的鉴别，避免误操作。按寻呼机信息处理流程，解码信号的截取一般有3种方法。( 1 )从寻呼信息码输出端截取。这是最直接的一种方法，它从寻呼机p o c s a g解码芯片输出的信息码截取。而无须关心p o c s a g 码格式及纠错处理，根据芯片输出的同步时钟脉冲，在单片机的控制下，对信息码字进行同步截取。电路的原理如图2 4 。问题是各厂家解码芯片输出的信息格式稍有区别，可以借助逻辑分析仪得出解码芯片输出的信息格式。r _ 一家用电器1图2 4 从解码输出端截取解码信息的结构( 2 )从寻呼机显示驱动电路输入口截取。寻呼机内部信号的接收、解调、解码均由附带显示驱动电路的大规模集成电路实现，没有留出数据通信接口，因此从液晶显示的驱动端截取信息不失为一种好方法，但由于显示数字采用8 段码方法，时序处理比较复杂。另外各种型号的寻呼机所采用的芯片和显示各不相同，接口郑州大学硕士研究生论文的分析比较困难。( 3 )从寻呼机射频解调输出端截取。无线寻呼信号解调出来的是p o c s a g 码，它是一种同步串行通信编码，属于纠错编码中的b c h ( 3 1 ，2 1 ) 码加1 位偶校验，它也是我国公用无线寻呼网的标准码，通信速率一般为1 2 k b i f f s ，也有少数为5 1 2 b i t s t 擞，具体由各寻呼台确定。信息截取电路主要是对p o c s a g 码进行串一并转换、纠错处理，然后进行地址码字识别，最后才能得出信息码字，电路设计比较简单。献寻呼机“兼用”的目的和其他技术分析，本设计采用了第( 3 ) 种方案。2 5 4 系统的设想b pl 盖装监视7p i e接照控收片制目板厂机标叫电平转换卜+图2 5 寻呼遥控的系统框图系统的总体原理框图如图2 5 所示，此方案具有以下特点。第一、由文献 2 5 可知，寻呼机的接收板和解码板之间的接口为8 针，除了电源等一些端口，如果用单片机进行解码只需四个端口，即有线数据端1 3 ，a 0 、a 1 、a 2 用于单片机对接收板的控制，十分有利于寻呼机的外接使用方式。第二、实现寻呼远程控制的电路十分简单，利用寻呼机的接收板，只需在原控制器上稍加改动便可实现。第三、在原有控制板的基础上增加一个电平转换c d 4 0 6 9 芯片，而寻呼机可作为兼用的器件。这样控制板增加的成本很少。第四、借用国外的经验，寻呼用于控制系统是一个很好的选择。第五、除了接收板外，其余主控部分为数字电路，便于未来s o c 实现。基于上述的考虑，本设计选用无线寻呼远程控制的方案，用一片单片机去实现寻呼码的解码和热水器其他功能控制。2 6 小结本章在对实现远程控制的几种技术方案的背景和现状调研和分析的基础上，比郑州大学硕士研究生论文较了电话远程控制、电力线载波远程控制和利用无线寻呼三种方案。通过比较，确定了无线寻呼方式作为热水器控制器的远程控制手段。这一选择从技术上和成本上均能较好地满足任务的要求。由于选择了从射频输出端截取解码信号，所以系统硬件实现简单，也达到了了单片机和寻呼机的两个兼用的目的。实际上热水器的控制只是本项目的一个特定对象，这一方法可以实现各种对象的简单控制，所以本项目的实施可以为类似的应用开辟一个途径。而且从产品升级的角度看，也符合要求。郑州大学硕士研究生论文第三章电热水器远程控制的实现本章主要讨论利用无线寻呼实现的远程控制系统的硬件电路及软件的实现。系统的主处理器选用价格低廉、性能稳定的美国m i c r o c h i p 公司p i c l 6 c 系列的单片机。设计的功能包括水胆温度的控制、出水温度的控制等功能，本文主要讨论基于无线寻呼实现的遥控开关机功能，该功能允许用户在远端方便地对电热水器实施开关机操作。3 1 系统结构与功能电热水器系统主要包括温度采样部分、单片机、键盘及显示部分、输出控制部分。系统的硬件框图如图3 1 所示。i 水胆温度采样卜_ 一- - q 水胆温度控制i鱼i 出水温度采样 _ 一- 叫混水控制片i 出水监测卜一机一显示l 键盘卜- - q寻呼解码图3 1 系统框图系统的功能主要包括：同时显示当前的出水温度、水胆温度；设定水胆温度。可设范围为2 0 8 0 度；设定出水温度。可设范围2 0 5 0 度，避免造成无意的烫伤：设定延时开机时间。可设范围2 4 小时；可在设定时间预先开机加热；出水断电。一旦用户用水，加热管电源自动切断以保证安全；漏电自检。模拟漏电情况，检测报警和保护电路是否能正常工作；漏电保护。在检测到漏电时即刻切断电源并发出报警信号；防止干烧。如果在水胆无水情况下通电，即刻切断加热管电源并报警；无线遥控。寻呼控制开、关机。郑州大学硕士研究生论文3 2p i c l 6 c 7 2 单片机的结构特点目前可供选择的单片机型号很多，本设计从性能价格比和设备的可靠性、可维护性等因素出发，选择美国m i c r o c h i p 公司的p i c l 6 c 系列单片机。由于该系列的单片机在国内的应用十分广泛，所以无论是开发系统和资料的获取都比较方便。另外，选择主流芯片还容易获得广泛的技术支持，同时对于产品的升级和s o c 实现是有利的。该芯片具有以下特点【2 7 l 【2 8 】。( 1 ) 高性能的精简指令集( r i s c )精简指令集芯片的一个突出优点是指令系统较为简易好学，p i c 系列单片机只有3 5 条r i s c 指令，所以有利于缩短开发时间和提高编码效率。此外还有以下特点。采用8 位数据存储器与1 4 位程序存储器独立分离的哈佛结构。1 4 位字宽的类础s c 指令系统。时钟频率范围：d c 2 0 m h z 。i o 端口数量：2 2 个通用的i o 端口在同档次微控制器芯片中具有最高执行速度( 指令周期最快可达2 0 0 n s ) 。高效率的宽字指令使编码大大压缩。除分支指令是双周期外，其他所有指令都是单周期指令。2 0 4 8 + 1 4 位e p r o m 程序存储器。1 2 8 字节通用r a m 。( 2 ) 丰富的外围功能部件内置带有8 位可编程预分频器的8 位实时时钟计数器( t m r 0 ) ：作为捕捉输入比较输出时基的1 6 位定时器计数器( t m r l ) ，t m r l 在休眠期间通过外部实时时钟的晶振时钟进行增量计数；8 位定时器计数器t m r 2 ，t m r 2 带有作为p w m 输出时基的8 位周期寄存器、预分频器和后分频器。1 1 个内部和外部中断源。有5 个通道8 位a d 转换器。芯片间总线1 2 c 和与3 线串行通信接口s p i 兼容的同步串行接口s s p 。( 3 ) 微控制器特性内置上电复位p o r 电路。内置上电定时器p w r t 。郑州大学硕士研究生论文内置振荡器启动定时器o s t 。内置r c 振荡器的监视定时器w d t , 以提高操作可靠性。有可编程代码保护加密功能。有省电的休眠( s l e e p ) 方式。3 3 远程控制系统的硬件设计远程控制系统的硬件部分主要可分为寻呼接收解码电路和其他功能电路两部分。电原理图见附录2 ，控制器的电路板见附录3 。由图3 1 可见，要实现寻呼信号的解码和其他功能电路共用单片机，需要较多的i o 端口，而1 6 c 7 2 芯片共有2 2 个i o 口，所以i o 端口必须尽量采用输出输入复用的方式。首先对先前设计的测温电路、键盘及显示电路、输出控制电路作一简单的介绍。然后再对寻呼远程控制的解码电路作详细的说明。3 3 1 温度控制和外围设备电路测温电路中的温度检测是利用负温度系数的热敏电阻的阻值随温度变化的特性实现的，使用了r a 0 、r a l 两个a d 通道，用于胆温、水温的测量。程序必须实现温度采样、a d 转换和查表以求得温度。外围设备包括四个按键的键盘和4 个8 段l e d 数码管组成的显示电路。四个l e d 位的显示中的位选与键盘采用i o 口输a 输出复用的方式，并用动态扫描方式，轮选四次为个周期。每周期为2 0 m s ，使人的眼睛是感觉不到闪烁。输出控制电路占用单片机的四个i 0 口。负责冷热水按比例混合的电机占用两个i 0 口，加热继电器占用一个i 0 口和漏电报警控制占用一个i 0 口。这三部分电路共占用i ，o 端口为1 7 个，对于p i c l 6 c 7 2 中的2 2 个端口还有5个可供选用。3 3 2 寻呼接收解码电路接受解码电路原理框图如图3 2 所示，由寻呼机接收板、电平转换电路( c d 4 0 6 9 ) 、p i c 单片机控制电路等组成。寻呼机与热水器之间用一个4 线连接器相连。硬件原理图电路如图3 3 所示。图3 3 中r f 接收板采用m o t o r o l a 顾问寻呼机成品板25 。，在寻呼机中该板是用插头与顾问机相连的，所以很容易拆下。郑州大学硕士研究生论文由于它的工作状态可以受控制，可以通过a 0 、a 1 、a 2 控制接收板的状态：接收、休眠省电模式等，很适合作为r f 前端。c d 4 0 6 9 作为电平转换之用，它的供电电压与射频板都是3 3 v ，输出高电平也为3 3 v ，满足单片机输入高电平的要求。3 3 v图3 2 寻呼机与单片机的连结框图p i c 单片机有很多中断源。外部中断i n t 和p o r t b i 的电平变化