1、1毕业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
2、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2图1总体方案31器件选择311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
3、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IEEE8023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符合IEEE8023协议，集成10MB/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；支持单播、组播和广播数据包，可编程数
4、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；10MB/SSPI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；可编程8KB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3图2一种28J60封装图312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ARMCORTEXM3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。
5、并且具有以下优点（1）基于ARMCORTEXM3核心的32位微控制器,LQFP100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
6、配合廉价的JLINK,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NANDFLASH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2036V4封装类型图3一种STM32封装图32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321时钟振荡器ENC28J60需要一个2
7、5MHZ的晶振,接在OSC1和OSC2脚上也可由外部时钟信号来驱动。此时33V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。322振荡器启动定时器ENC28J60内部有一个振荡器启动时钟OSTOSCILLATORSTARTUPTIMER,上电7500个时钟周期300S,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。
8、只有CLKRDY置位后才能发送、接收报文,访问相关寄存器。323时钟输出引脚传感器STM32F28J60上位机5CLKOUT引脚可为系统中的其他设备提供时钟源。上电后CLKOUT引脚保持低电平,复位结束后OST计数。OST期满后,CLKOUT输出频率为625MHZ的时钟。时钟输出功能通过ECOCON寄存器禁止、调整和使能。时钟输出可设置为1、2、3、4、8分频,上电后默认为4分频。ECOCON寄存器配置改变以后,CLKOUT引脚有80320NS的延迟保持低电平,然后按照设定输出固定频率的时钟信号。软件或者RESET引脚上的复位信号不会影响ECOCON寄存器的状态。POWERDOWN模式也不会影
9、响时钟的输出。当禁止时钟输出时,CLKOUT引脚保持低电平。324变压器、终端和其他外部器件为了实现以太网接口ENC28J60,需要几个标准的外部器件脉冲变压器、偏置电阻、储能电容和去耦电容。差分输入引脚TPIN/TPIN,需要一个11变比的脉冲变压器来实现10BASET。差分输出引TPOUT/TPOUT,需要一个变比为11、带中心抽头的脉冲变压器。变压器需要有2KV或更高的隔离能力,防静电。325输入输出电平ENC28J60是一个33V的CMOS器件,但它设计得非常容易统一到5V系统中去SPI、CS、SCK、SI输入和RESET引脚一样,都可承受5V电压。当SPI和中断输入与33V驱动的CM
10、OS输出不兼容时,可能需要一个单向的电平转换器。74HCT08四与门,74ACT125四三态缓冲器和许多具有TTL电平输入的5VCMOS缓冲器芯片都可以提供所需的电平转换。33软件设计图5一个精简的TCP/IP协议栈整个嵌入式系统的软件设计可分为以下3个部分以太网的HTTP协议、网络接口程序、网关协议转换程序和RS232设备接口通讯程序。一个精简的TCP/IP协议栈如图5所示。331TCP/IP协议栈的实现6考虑到RAM存储空间的限制和具体应用要求,合理简化TCP/IP协议栈,选择实现ARP、IP、ICMP、TCP和HTTP协议。如图所示为精简的TCP/IP协议栈。332物理层接口的实现物理层
11、接口为ENC28J60的驱动程序,硬件方面是用ENC28J60的电路实现电缆的物理链接、介质访问控制、帧的发送与接收等功能,而与上层协议接口即为驱动程序,实现发送与接收数据帧。333网络层协议的实现网络层的协议包括ARP、IP、ICMP协议。网络间连接需知双方物理地址,而ARP协议是地址解析协议,实现IP地址到物理地址的转化。网际协议IP负责将消息从一个主机传送到另一个主机。ICMP协议是INTERNET控制消息协议,用于IP主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是指网络是否畅通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身消息。334TCP、HTTP协议的实现传输控制协议TCP负责收集信息包,并且将
12、其按适当的次序传输,接收端接收后再将其正确还原。传输协议同时保证了数据包在传送中准确无误。而HTTP是基于TCP协议的超文本传输协议,嵌入式WEB服务器在与远程用户端建立TCP连接后发送网页数据,在HTTP协议发送流程中,由于TCP报文数据字段有长度限制,网页资源一般被分成若干段进行分段传送。在远程用户端打开IE浏览器,在地址栏输入嵌入式WEB服务器的地址。34关键技术及难点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，因此必须自学如何编写WEB程序，通过WEB服务访问接口。通过浏览器键入IP地址，能实现数据的流通。其次，对于STM32F104这块芯片也要仔细了解其各个引脚的功能。四、研
13、究的总体安排与进度2010年11月至12月完成开题报告，文献综述。2010年12月至2011年1月完成相关电路设计，并交付制板。2011年2月至3月实习阶段，外文翻译和完成实习任务，递交实习报告。2011年3月至4月完成电路及软件的调试，实现数据传输功能。2011年4月进一步完善应用程序设计，写论文，准备毕业答辩。五、主要参考文献1孙涛,王银玲,阎世梁,曾小进RS232设备到以太网的通讯接口设计J通信技术,2009,092张勇,陶智勇一种嵌入式以太网接口的设计与应用A武汉市第二届学术年会、通信学会2006年学术年会论文集C,200673刘盼盼微型嵌入式WEB服务器的设计与实现J国外电子元器件,
14、2008（2）4周晓阳,程红,张晓媛新型以太网控制器ENC28J60及其接口技术J单片机与嵌入式系统应用,2006,085陈明计嵌入式实时操作系统SMALLRTOS51原理及应用，20046路德基于工业以太网的污水处理控制系统J河北省科学院学报,20097熊育悦，赵哲身工业以太网在控制系统应用前景J仪表技术，200238JIACJ,ZHANGYWANUMERICALNONLINEARANALYSISOFTHEFLOWAROUNDPARTIALLYCAVITATINGAXISYMMETRICBODYJJOURNALOFNORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITY,20039FUHP,LUCJ,WULRESEARCHONCHARACTERISTICSOFFLOWAROUNDCAVITATINGBODYOFREVOLUTIONJJOURNALOFHYDRODYNAMICSSERA,200510韩江红智能家居系统与技术M合肥合肥工业大学出版社，2005
