基于USB通信的多功能智能插座

1.概述

　　現(xiàn)有的插座在其使用方式、功能以及外形特征等諸方面都表現(xiàn)出多樣化的趨勢(shì)。有的增加了保險(xiǎn)功能、電源指示功能、開(kāi)關(guān)功能,有的增加了調(diào)壓功能。這些插座的功能無(wú)論怎樣,只能是單一的目的:為用電設(shè)備提供電源接口。它們的共同缺陷就是不具有信息化和智能化功能。為了實(shí)現(xiàn)插座的信息化和智能化，我們將研究設(shè)計(jì)的智能信息系統(tǒng)與插座結(jié)合,將該智能設(shè)備與電源插座合為一體,設(shè)計(jì)成多功能智能監(jiān)測(cè)插座。該插座由于在建筑電氣安裝時(shí)一次性固定完成,采用照明電源供電,人們使用時(shí)就好象使用普通電源插座一樣,免除了過(guò)多的連接線。

2.系統(tǒng)功能與組成

2．1功能

該多功能智能監(jiān)測(cè)插座是在普通插座的基礎(chǔ)上,結(jié)合信息的需要,增加了如下功能:

　　1） 對(duì)接入插座的電器的電壓、電流、頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

　　2） 對(duì)插座工作環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

　　3） 將監(jiān)測(cè)到的電器的工作電壓或電流與其額定值進(jìn)行比較，如果超過(guò)額定值，主機(jī)就發(fā)送命令給執(zhí)行單元，自動(dòng)切斷該電器的電源，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)功能。

　　4） 通信功能：將監(jiān)測(cè)到的信息經(jīng)過(guò)通信接口傳給上位機(jī)，在家庭內(nèi)部或工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)可以連成一個(gè)局域網(wǎng)。在主機(jī)端人們可以通過(guò)一個(gè)人機(jī)界面定期或不定期查詢接入插座的諸電器的工作狀況。如果想實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的方便，可以將該局域網(wǎng)通過(guò)公用電話網(wǎng)連到Internet 上，這樣就可以在家庭以外的地方用手機(jī)或PC機(jī)隨時(shí)方便地查詢家用電器的工作情況了。

2．2組成

　　該智能監(jiān)測(cè)插座由電源系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)四部分組成。(1)電源系統(tǒng):完成照明電源到直流穩(wěn)壓電源的變換,提供給該智能系統(tǒng)工作電源。由隔離降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓等電路組成。

　　(2)監(jiān)測(cè)系統(tǒng):由電壓傳感器、電流傳感器和溫度傳感器以及模／數(shù)變換電路組成,負(fù)責(zé)信息的采集處理。

　　(3)控制系統(tǒng):由微處理機(jī)(單片機(jī))和執(zhí)行器件組成。微控制器一方面控制采集部分的模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換；另一方面接受上位機(jī)的命令，然后將這個(gè)命令交給執(zhí)行單元去完成，比如切斷用電器的電源。

　?。?）通信系統(tǒng)：該插座的通信系統(tǒng)主要是在其內(nèi)部增加一個(gè)通信接口，以便聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)器進(jìn)行通信。由于該設(shè)備構(gòu)成局域網(wǎng)，在設(shè)計(jì)要采用分層次的設(shè)計(jì)思想，在這篇文章里，只考慮設(shè)計(jì)最低的一層：物理層的通信實(shí)現(xiàn)。

3．物理層通信的設(shè)計(jì)

　　在串行通信口的缺點(diǎn)中有三項(xiàng)最為突出：低速、復(fù)雜的電纜和端口數(shù)的限制。通用串行總線（USB）不僅克服了所有這三項(xiàng)缺點(diǎn)，而且具有支持熱插拔、容易擴(kuò)展、低成本、低干擾等優(yōu)點(diǎn)。USB標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為業(yè)界普遍認(rèn)同的一種事實(shí)上的接口標(biāo)準(zhǔn)，支持這一標(biāo)準(zhǔn)各種新產(chǎn)品正在大量涌現(xiàn)，而且現(xiàn)在的微型計(jì)算機(jī)上都有USB接口，所以我們就選擇USB作為該多功能插座和主機(jī)串行通信的接口。

3．1 USB接口芯片及其工作原理

　　在這篇文章中我們采用Philips公司推出的PDIUSBD12芯片，這是一種價(jià)格便宜、功能完善的并行接口芯片,它支持多路復(fù)用、非多路復(fù)用和DMA并行傳輸。PDIUSBD12接口芯片遵從協(xié)議USB1.1,適合于不同用途的傳輸類型。PDIUSBD12需要外接微控制器(MCU)來(lái)進(jìn)行協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換,它對(duì)MCU沒(méi)有特殊要求,而且接口方便靈活,因此設(shè)計(jì)師可以選用自己熟悉的MCU對(duì)芯片進(jìn)行控制,也可利用Philips公司的固件(firmware)結(jié)構(gòu)來(lái)縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間、降低風(fēng)險(xiǎn)、減小投資。

　　性能特點(diǎn)：PDIUSBD12除了具有USB設(shè)備的一般特性外,還具有如下特點(diǎn):（1）是一種高性能的USB接口芯片,其內(nèi)部集成有SIE（Serial Interface Engine）、320字節(jié)的FIFO、收發(fā)器和電壓調(diào)節(jié)器。（2）適用于大部分設(shè)備類規(guī)范?？膳c任何外部微控制器／微處理器實(shí)現(xiàn)高速并行接口,其速度可高達(dá)2Mbit/s。

　?。?）可進(jìn)行完全獨(dú)立的DMA操作。

　?。?）主端點(diǎn)配置有雙緩沖,因而可提高數(shù)據(jù)的吞吐量、減小數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間,輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

　?。?）當(dāng)采用同步傳輸方式時(shí),數(shù)據(jù)的傳輸速度為1Mbit/s;而采用批量傳輸方式的速度為1Mbyte/s。在使用上述方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí),可方便地使用多種中斷方式。

　　（6）帶有可編程的時(shí)鐘輸出,與USB總線的連接可通過(guò)軟件來(lái)控制(Soft Connect TM)。

　　(7)有兩種工作電壓可供選擇:分別為3.3±0.3Ｖ和3.6～5.5Ｖ。

　　(8)輸出和數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)可通過(guò)USB連接指示燈來(lái)監(jiān)控。