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。有的增加了保險功能、電源指示功能、開關(guān)功能,有的增加了調(diào)壓功能。這些插座的功能無論怎樣,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。為了實現(xiàn)插座的信息化和智能化，我們將研究設(shè)計的智能信息系統(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)計成多功能智能監(jiān)測插座。該插座由于在建筑電氣安裝時一次性固定完成,采用照明電源供電,人們使用時就好象使用普通電源插座一樣,免除了過多的連接線。

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） 對接入插座的電器的電壓、電流、頻率進行監(jiān)測。

　　2） 對插座工作環(huán)境溫度進行監(jiān)測。

　　3） 將監(jiān)測到的電器的工作電壓或電流與其額定值進行比較，如果超過額定值，主機就發(fā)送命令給執(zhí)行單元，自動切斷該電器的電源，實現(xiàn)了保護功能。

　　4） 通信功能：將監(jiān)測到的信息經(jīng)過通信接口傳給上位機，在家庭內(nèi)部或工業(yè)現(xiàn)場可以連成一個局域網(wǎng)。在主機端人們可以通過一個人機界面定期或不定期查詢接入插座的諸電器的工作狀況。如果想實現(xiàn)進一步的方便，可以將該局域網(wǎng)通過公用電話網(wǎng)連到Internet 上，這樣就可以在家庭以外的地方用手機或PC機隨時方便地查詢家用電器的工作情況了。

2．2組成

　　該智能監(jiān)測插座由電源系統(tǒng)、監(jiān)測系統(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,負責信息的采集處理。

　　(3)控制系統(tǒng):由微處理機(單片機)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的命令，然后將這個命令交給執(zhí)行單元去完成，比如切斷用電器的電源。

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

3．物理層通信的設(shè)計

　　在串行通信口的缺點中有三項最為突出：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缺點，而且具有支持熱插拔、容易擴展、低成本、低干擾等優(yōu)點。USB標準已經(jīng)成為業(yè)界普遍認同的一種事實上的接口標準，支持這一標準各種新產(chǎn)品正在大量涌現(xiàn)，而且現(xiàn)在的微型計算機上都有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)來進行協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換,它對MCU沒有特殊要求,而且接口方便靈活,因此設(shè)計師可以選用自己熟悉的MCU對芯片進行控制,也可利用Philips公司的固件(firmware)結(jié)構(gòu)來縮短開發(fā)時間、降低風險、減小投資。

　　性能特點：PDIUSBD12除了具有USB設(shè)備的一般特性外,還具有如下特點:（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／微處理器實現(xiàn)高速并行接口,其速度可高達2Mbit/s。

　?。?）可進行完全獨立的DMA操作。

　?。?）主端點配置有雙緩沖,因而可提高數(shù)據(jù)的吞吐量、減小數(shù)據(jù)傳輸時間,輕松實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸。

　?。?）當采用同步傳輸方式時,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。在使用上述方式進行數(shù)據(jù)傳輸時,可方便地使用多種中斷方式。

　?。?）帶有可編程的時鐘輸出,與USB總線的連接可通過軟件來控制(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USB連接指示燈來監(jiān)控。