【文章內(nèi)容簡介】 ，連接到AVR單片機(jī)，通過SPI接口來進(jìn)行通訊。軟件上：ENC28J60芯片是一塊底層的芯片，工作在鏈路層。所以，它的通訊最基本單位為MAC幀，用戶需要自行編寫驅(qū)動程序來對其進(jìn)行控制。在封裝好MAC幀以后，再進(jìn)行ARP地址解析協(xié)議的編寫，然后加入IP包、UDP包。總共進(jìn)行三層驅(qū)動的封裝。在本系統(tǒng)中，獨(dú)立開發(fā)了UDP包的收發(fā)程序，歷經(jīng)三層數(shù)據(jù)交換；軟硬件相結(jié)合。3) 上位機(jī)的功能模塊：PC機(jī)上需要完成的工作須要和下位機(jī)的功能一一對應(yīng)，主要制作的是串口和USB通訊兩個模塊。串口模塊制作相對簡單。USB模塊需要編制Windows驅(qū)動程序，工作相當(dāng)冗長，且沒有太多的擴(kuò)展價值，所以使用國際通用的驅(qū)動程序。即使如此，USB驅(qū)動程序的理解和使用，仍然是需要展開研究的一個單獨(dú)功能塊。另外，在硬件驅(qū)動完備的情況下，還需要制作應(yīng)用軟件的開發(fā)。 研究目標(biāo)本課題的研究目標(biāo)為：使用AVR單片機(jī)作為主控芯片，ENC28J60為網(wǎng)絡(luò)通訊芯片，配合外圍電路和其它設(shè)備，搭建基于網(wǎng)絡(luò)UDP數(shù)據(jù)報的智能家居系統(tǒng)，實現(xiàn)家電控制、智能安防、遠(yuǎn)程控制等功能，并完成智能家居主控制器的操作系統(tǒng)平臺。 本文結(jié)構(gòu)組織根據(jù)上述研究內(nèi)容和研究目標(biāo)，文章其余部分內(nèi)容組織如下：第二章：闡述本系統(tǒng)的基本需求和AVR單片機(jī)核心板設(shè)計。首先，介紹系統(tǒng)的整體組成框架，包括系統(tǒng)的文字闡述和結(jié)構(gòu)圖。主要包括核心板和網(wǎng)絡(luò)模塊、USB模塊、外設(shè)模塊等的連接方案和協(xié)議構(gòu)成。第三章：研究本系統(tǒng)的核心部件ENC28J60芯片的開發(fā)方案，包括ENC28J60硬件規(guī)格、外部連接、接口方案、布線規(guī)則等。還包括ENC28J60的底層軟件驅(qū)動程序開發(fā)。在完成硬件方案的情況下，還須要調(diào)用ENC28J60的底層驅(qū)動程序，封裝網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，直至可以方便地調(diào)用UDP數(shù)據(jù)報協(xié)議來進(jìn)行局域網(wǎng)內(nèi)和廣域網(wǎng)上的數(shù)據(jù)通訊。第四章：本章研究了本系統(tǒng)的USB數(shù)據(jù)通訊方案。包括USB的下位機(jī)，即AVR單片機(jī)的實現(xiàn)方案。還包括USB的上位機(jī)開發(fā)，即USB的Windows驅(qū)動程序開發(fā)，以及如何來Windows應(yīng)用程序中調(diào)用驅(qū)動程序的接口。另外還須要包括上位機(jī)和下位機(jī)的通訊方案和接口規(guī)范。整個方案使用AVR單片機(jī)軟件模擬的方式，避免額外芯片的開銷。第五章：本章研究本系統(tǒng)中的幾種典型外設(shè)通訊接口。直接連接：直接和外設(shè)電器的電源相連接，使用繼電器的方式來對外設(shè)進(jìn)行電源的驅(qū)動。紅外連接：模擬電器的紅外線遙控器的協(xié)議，進(jìn)行對外設(shè)的驅(qū)動，要求比較嚴(yán)格。第六章：本章對全文內(nèi)容進(jìn)行了總括，回顧了本文的主要研究內(nèi)容，歸納了本文的主要貢獻(xiàn)以及創(chuàng)新點(diǎn)，并指出進(jìn)一步可以進(jìn)行研究的內(nèi)容，作為下個階段研究的重點(diǎn)。 本章小結(jié)在本章中，我們首先介紹了國內(nèi)外智能家居系統(tǒng)發(fā)展的國內(nèi)外現(xiàn)狀，使得系統(tǒng)的開發(fā)方向和目標(biāo)有明確的要求。然后，對智能家居的類型進(jìn)行了初步的探討，選定一種物美價廉的方案來進(jìn)行針對性的開發(fā)。在確定了開發(fā)目標(biāo)以后，就可以深入地進(jìn)行解決方案的展開討論。第2章 系統(tǒng)框架和AVR核心板開發(fā)本系統(tǒng)是基于AVR單片機(jī)的網(wǎng)絡(luò)智能家居系統(tǒng)，主要分為：AVR單片機(jī)核心板、網(wǎng)絡(luò)模塊、USB通訊模塊、外設(shè)驅(qū)動模塊等。作為所有媒體的載體，AVR核心板是首當(dāng)其沖的中心運(yùn)算組件，在本章中將討論系統(tǒng)框架和核心板的制作。 系統(tǒng)總體框架和接口設(shè)計本系統(tǒng)的需求結(jié)構(gòu)圖如下：AVR單片機(jī)ATmega32核心板軟件模擬USB接口PC上位機(jī)ENC28J60網(wǎng)絡(luò)芯片Windows USB驅(qū)動RJ45網(wǎng)絡(luò)變壓器LAN或WAN各類外設(shè)接口電路外部電器或遙控器串口和其它備用接口Windows應(yīng)用程序備用上位機(jī)接口遠(yuǎn)程控制終端 系統(tǒng)總體框架和接口設(shè)計圖在本系統(tǒng)中，采用先進(jìn)的核心板＋功能模塊開發(fā)方式。由于ATmega8沒有調(diào)試功能，核心板在調(diào)試階段使用具有JTAG在線單步仿真功能的ATmega32芯片作為開發(fā)工具，當(dāng)整個項目完工以后直接移植到ATmega8芯片上去。 AVR單片機(jī)介紹AVR單片機(jī)是1997年由ATMEL公司研發(fā)出的增強(qiáng)型內(nèi)置Flash的RISC(ReducedInstructionSetCPU)精簡指令集高速8位單片機(jī)。AVR的單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于計算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實時控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個領(lǐng)域。AVR的主要特性：高可靠性、功能強(qiáng)、高速度、低功耗和低價位,一直是衡量單片機(jī)性能的重要指標(biāo)，也是單片機(jī)占領(lǐng)市場、賴以生存的必要條件。早期單片機(jī)主要由于工藝及設(shè)計水平不高、功耗高和抗干擾性能差等原因，所以采取穩(wěn)妥方案：即采用較高的分頻系數(shù)對時鐘分頻，使得指令周期長，執(zhí)行速度慢。以后的CMOS單片機(jī)雖然采用提高時鐘頻率和縮小分頻系數(shù)等措施，但這種狀態(tài)并未被徹底改觀(51以及51兼容)。此間雖有某些精簡指令集單片機(jī)(RISC)問世,但依然沿襲對時鐘分頻的作法。AVR單片機(jī)的推出，徹底打破這種舊設(shè)計格局，廢除了機(jī)器周期，拋棄復(fù)雜指令計算機(jī)(CISC)追求指令完備的做法；采用精簡指令集，以字作為指令長度單位，將內(nèi)容豐富的操作數(shù)與操作碼安排在一字之中(指令集中占大多數(shù)的單周期指令都是如此)，取指周期短，又可預(yù)取指令，實現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令。當(dāng)然這種速度上的升躍，是以高可靠性為其后盾的。綜上所述，AVR單片機(jī)博采眾長，又具獨(dú)特技術(shù)，不愧為8位機(jī)中的佼佼者。由于開發(fā)需要，單片機(jī)的開發(fā)必須擁有良好的調(diào)試平臺，在本系統(tǒng)的AVR單片機(jī)使用集成開發(fā)平臺AVR Studio ，由于ATEML的官方平臺AVR Studio只有匯編功能，所以加載了第三方工具WinAVR進(jìn)行C語言的開發(fā)。在硬件上，使用JTAG下載功能的芯片ATmega32來進(jìn)行芯片內(nèi)容的寫入，關(guān)于JTAG接口的具體連接下載方案在下面會展開描述。對于ATmega8芯片擁有體積小，價格低的優(yōu)勢，但缺點(diǎn)是沒有JTAG調(diào)試功能，只有ISP下載功能，也就是說程序可以執(zhí)行，但不可以調(diào)試。所有不利于調(diào)試，但適合做產(chǎn)品，當(dāng)ATmega32程序開發(fā)完成之后，直接移植過去就可以。只須要將代碼復(fù)制過去，只要引腳端口號一致，代碼不用做任何變動，具有超一流的移植性能。 選用AVR單片機(jī)的原因鑒于以下的幾點(diǎn)顯著優(yōu)勢，我們選擇了價廉物美的高效AVR單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心：1) AVR單片機(jī)的價格并不高于傳統(tǒng)的51單片機(jī)，但51單片機(jī)由于其設(shè)計問題，12個時鐘周期才相當(dāng)于一個機(jī)器周期，而基于RISC設(shè)計的AVR1個時鐘周期就是一個機(jī)器周期，整整比51快了10多倍。2) ARM系列處理器雖然擁有強(qiáng)大的運(yùn)算速度和存儲空間，但是其價格和功耗卻是面向大眾產(chǎn)品的一個致命點(diǎn)。而本系統(tǒng)在軟件編寫上挖掘潛力，可以使用AVR單片實現(xiàn)所有網(wǎng)絡(luò)通訊，是的系統(tǒng)資源被完全利用，沒有任何浪費(fèi)。3) AVR單片機(jī)體積小、速度快、功耗低、開發(fā)方便、芯片運(yùn)作穩(wěn)定，這些優(yōu)勢是在單片機(jī)行業(yè)中遙遙領(lǐng)先的，在8位單片機(jī)中除了PIC單片機(jī)可以與之抗衡以外，再也找不出其它更具性價比的單片機(jī)。4) AVR是作者長期使用，積累了大量開發(fā)資料和硬件驅(qū)動程序的完善解決方案，因此，我們采用這款單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心。 AVR調(diào)試工具ATmega16/32 核心板開發(fā)由于在項目開發(fā)時對于Flash和SRAM大小的不同，可以穿插使用ATmega16和ATmega32芯片，這兩款芯片除了Flash、SRAM和EEPROM大小有差異以外，基本上沒有任何區(qū)別，所以本文中會交叉使用。1) 關(guān)于ATmega32芯片的簡介：1. 先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)2. 131條指令–大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期3. 工作于16MHz時性能高達(dá)16MIPS4. 只需兩個時鐘周期的硬件乘法器5. JTAG接口()6. 支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能7. 通過JTAG接口實現(xiàn)對Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程2) 系統(tǒng)復(fù)位電路設(shè)計： 系統(tǒng)復(fù)位電路圖Mega16已經(jīng)內(nèi)置了上電復(fù)位設(shè)計。并且在熔絲位里，可以控制復(fù)位時的額外時間，故AVR外部的復(fù)位線路在上電時，可以設(shè)計得很簡單：直接拉一只10K的電阻到VCC即可(R0)。為了可靠，(C0)以消除干擾、雜波。D3(1N4148)的作用有兩個：作用一是將復(fù)位輸入的最高電壓鉗在Vcc+ 左右，另一作用是系統(tǒng)斷電時，將R0(10K)電阻短路，讓C0快速放電，讓下一次來電時，能產(chǎn)生有效的復(fù)位。當(dāng)AVR在工作時，按下S0開關(guān)時，復(fù)位腳變成低電平，觸發(fā)AVR芯片復(fù)位。重要說明：實際應(yīng)用時，如果你不需要復(fù)位按鈕，復(fù)位腳可以不接任何的零件，AVR芯片也能穩(wěn)定工作。即這部分不需要任何的外圍零件。3) 晶振電路的設(shè)計 晶振電路圖Mega16已經(jīng)內(nèi)置RC振蕩線路，可以產(chǎn)生1M、2M、4M、8M的振蕩頻率。不過，內(nèi)置的畢竟是RC振蕩，在一些要求較高的場合，比如要與RS232通信需要比較精確的波特率時，建議使用外部的晶振線路。早期的90S系列，晶振兩端均需要接22pF左右的電容。Mega系列實際使用時，這兩只小電容不接也能正常工作。不過為了線路的規(guī)范化，我們?nèi)越ㄗh接上。重要說明：實際應(yīng)用時，如果你不需要太高精度的頻率，可以使用內(nèi)部RC振蕩。即這部分不需要任何的外圍零件。4) JTAG仿真接口設(shè)計 JTAG仿真接口電路圖仿真接口也是使用雙排2*5插座。需要四只10K的上拉電阻。重要說明：實際應(yīng)用時，如果你不想使用JTAG仿真，并且不想受四只10K的上拉電阻的影響，可以將JP1－JP4斷開。5) 基于AVR的ATmega32單片機(jī)核心板設(shè)計：鑒于調(diào)試的需要，我們可以把許多外圍電路省略，只留下JTAG仿真口和晶振接口，這樣的核心板照樣可以完全正常工作。直到生產(chǎn)產(chǎn)品的時候，才把保護(hù)器件再接上去。所以，核心板可以如下設(shè)計，這是實驗證明了切實可行有效的一個方案： 基于AVR的ATmega32單片機(jī)核心板6) 核心板對外接口說明 核心板對外接口 所示，我們把VCC放到最1號引腳，GND放到12號引腳，上下兩個8位的端口。這樣的設(shè)計方案可以在單片機(jī)型號更換的時候保持對外接口一致，使得代碼具有很強(qiáng)的移植性，并且甚至可以跨種類地在不同單片機(jī)之間移植代碼。 本章小結(jié)在本章中，我們介紹了本系統(tǒng)的設(shè)計框架和AVR核心板的制作，尤其腔調(diào)了核心板的開發(fā)方案，突出了模塊化和高移植性的開發(fā)方法。在這種方法的科學(xué)指導(dǎo)下，所有代碼和接口的設(shè)計都保持一定的規(guī)范，這樣的項目才可以在一定的時間內(nèi)得到長期有效的利用，而不是就事論事的一個項目，缺乏再開發(fā)的潛力。本章的核心板的系統(tǒng)的運(yùn)作中心，為其它模塊提供了一個發(fā)展的平臺。第3章 基于ENC28J60的網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計 引言目前市場上出售的以太網(wǎng)開發(fā)板絕大多數(shù)是基于8019的，8019的缺點(diǎn)是很明顯的－－它是為PC機(jī)設(shè)計的一款芯片，不是為單片機(jī)設(shè)計的，引腳多（100個腳），與單片機(jī)接口復(fù)雜（硬件連接和軟件編程都復(fù)雜），更致命的是這款芯片已經(jīng)停產(chǎn)了，顯然不能用于量產(chǎn)方案。采用Microchip的以太網(wǎng)控制器ENC28J60，ENC28J60是一款專門為單片機(jī)設(shè)計的以太網(wǎng)控制芯片，僅28個引腳，與單片機(jī)間采用大家熟悉的SPI接口連接，占用口線少，速度也比較快。 相關(guān)工作本章結(jié)構(gòu)組織如下：；；，以及和局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的連接；。 ENC28J60芯片介紹 ENC28J60芯片概述1) ENC28J60芯片特點(diǎn)Microchip Technology（美國微芯科技公司）近日推出全球首枚28引腳獨(dú)立以太網(wǎng)控制器，可為嵌入式應(yīng)用提供低引腳數(shù)、低成本且高效易用的遠(yuǎn)程通訊解決方案。設(shè)計人員可采用Microchip的ENC28J60以太網(wǎng)控制器，創(chuàng)建占位小、成本低、精簡的嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。 在此之前，嵌入式設(shè)計人員在為遠(yuǎn)程控制或監(jiān)控提供應(yīng)用接入時可選的以太網(wǎng)控制器都是專為個人計算系統(tǒng)設(shè)計的，既復(fù)雜、又占空間，且比較昂貴。目前市場上大部分以太網(wǎng)控制器采用的封裝均超過80引腳，而符合IEEE ，就能既提供相應(yīng)的功能，又可以大大簡化相關(guān)設(shè)計，并減小占板空間。 ENC28J60芯片圖2) 以太網(wǎng)控制器特性1. IEEE 兼容的以太網(wǎng)控制器2. 集成MAC 和10 BASET PHY3. 接收器和沖突抑制電路4. 支持一個帶自動極性檢測和校正的10BASET 端口5. 支持全雙工和半雙工模式6. 可編程在發(fā)生沖突時自動重發(fā)7. 可編程填充和CRC 生成8. 可編程自動拒絕錯誤數(shù)據(jù)包9. 最高速度可達(dá)10 Mb/s 的SPI 接口10. 緩沖器11. 8 KB 發(fā)送/ 接收數(shù)據(jù)包雙端口SRAM12. 可配置發(fā)送/ 接收緩沖器大小13. 硬件管理的循環(huán)接收FIFO14. 字節(jié)寬度的隨機(jī)訪問和順序訪問（地址自動遞增）15. 用于快速數(shù)據(jù)傳送的內(nèi)部DMA16. 硬件支持的IP 校驗和計算17. 介質(zhì)訪問控制器（MAC）特性18. 支持單播、組播和廣播數(shù)據(jù)包19. 可編程數(shù)據(jù)包過濾，并在以下事件的邏輯“與”和“或”結(jié)果為真時喚醒主機(jī)：單播目標(biāo)地址組播地址廣播地址Magic Packet由64 位哈希表定義的組目標(biāo)地址多達(dá)64 字節(jié)的可編程模式匹配（偏移量可由用戶定義）20. 環(huán)回模式21. 物理層（PHY）特性22. 整形輸出濾波器23. 環(huán)回模式 ENC28J60外部連接方案1) ENC28J60 的七個主要功能模塊：1. SPI 接口——充當(dāng)主控制器和ENC28J60 之間通信通道。2. 控制寄存器——用于控制和監(jiān)視ENC28J60。3. 雙端口RAM緩沖器——用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包。4. 判優(yōu)器——當(dāng)DMA、發(fā)送和接收模塊發(fā)出請求時對RAM 緩沖器的訪問進(jìn)行控制。5. 總線接口——對通過SPI 接收的數(shù)據(jù)和命令進(jìn)行解析。6. MAC （Medium Access Control）模塊——實現(xiàn)符合IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的MAC 邏輯。7. PHY（物理層）模塊——對雙絞線上的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行