呂梓豪 劉鐘 崔旭晶

摘 要：針對智能家居的主控系統(tǒng)和分控系統(tǒng)，實現(xiàn)其有線和無線通信。有線通信應用I2C、SPI總線技術，使用Verilog HDL語言編程，功能時序仿真，最終下載到FPGA芯片上，完成硬件實物可行性測試;無線通信選用CC2530通信芯片，基于ZigBee協(xié)議，C語言編程，并下載到硬件實物進行驗證，實現(xiàn)數據的發(fā)送和接收功能。實驗結果表明，該系統(tǒng)運行快速穩(wěn)定，經濟高效，能夠較好地應對普通戶型智能家居的通信需求。

關鍵詞：智能家居;通信;FPGA;I2C;SPI;CC2530

中圖分類號：TN913，TN92文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）03-00-02

0 引 言

智能家居是以家庭住宅為平臺，利用自動化技術、視覺識別技術、綜合布局技術、音視頻技術等最新物聯(lián)網技術綜合應用于家居生活。目前，隨著互聯(lián)網技術和智能產業(yè)的發(fā)展，家居產業(yè)正向著智能化和方便化方向發(fā)展，智能家居作為新興行業(yè)與傳統(tǒng)行業(yè)的結合，具有廣闊的市場前景和創(chuàng)新空間[1]。家居智能化的大趨勢是使用手機APP遠程監(jiān)控家居，而監(jiān)控的重點是實現(xiàn)家居之間的互聯(lián)通信。

基于目前智能家居通信功率、通信距離及普通住宅房型的要求，短距離通信可使用有線通信技術;對于空間距離較遠，考慮到不易布線及信號衰減等問題，可使用通信無線技術，這樣能夠應對大多數普通戶型家庭的需求，從而實現(xiàn)智能家居之間不同距離、不同通信要求的各終端設備之間的數據通信[2-3]。

本文智能家居的主控系統(tǒng)為FPGA可編程芯片，分控系統(tǒng)由各FPGA芯片及單片機構成，因此需要實現(xiàn)主控系統(tǒng)FPGA芯片與分控系統(tǒng)各FPGA芯片及單片機之間的通信，包括有線和無線通信。有線通信使用Verilog HDL語言、I2C和SPI總線技術實現(xiàn)[4-5]，無線通信使用C語言和CC2530芯片及ZigBee通信協(xié)議實現(xiàn)[6]。

1 通信功能實現(xiàn)原理

1.1 I2C總線

I2C協(xié)議使用雙線輸入輸出，其中一根為時鐘傳輸線，另一根為數據傳輸線。晶振輸入初始50 MHz時鐘信號，并在狀態(tài)機模塊中加入對于分頻寄存器的判斷，以確定分頻后時鐘信號所在位置。實現(xiàn)發(fā)送和讀取功能的主要模塊為狀態(tài)跳轉模塊和執(zhí)行模塊，狀態(tài)跳轉模塊即在現(xiàn)在狀態(tài)下，達到滿足跳轉到下一狀態(tài)的條件后，自動跳轉到下一狀態(tài)，執(zhí)行模塊是在當前狀態(tài)下，通過工作時鐘的觸發(fā)執(zhí)行相應功能，通過對狀態(tài)機模塊編程可完成從最初單字節(jié)發(fā)送、接收等更多功能。

1.2 SPI總線

SPI使用標準信號輸入輸出口。由標準晶振產生50 MHz時鐘，經過分頻模塊分頻后得到相應的通信時鐘;具有四種工作模式，而實現(xiàn)這四種工作模式主要依靠不同狀態(tài)下的時鐘系統(tǒng)，根據SPI協(xié)議的相關規(guī)定，本設計采用多路時鐘的工作方式，從最初50 MHz晶振時鐘輸入到FPGA中，經過分頻變?yōu)?0 kHz工作時鐘，經由一個初始時鐘觸發(fā)，記錄當前時鐘下分頻時鐘電平與上一個時鐘下分頻時鐘電平，再將其進行相應邏輯運算，即可獲得分頻后時鐘上升沿和下降沿信號，并輸出到上升沿下降沿脈沖模塊，再根據外部CPOL與CPHA決定，通過二選一模塊，最終成為發(fā)送模塊與接受模塊的觸發(fā)條件。

1.3 CC2530芯片

CC2530以眾多而全面封裝函數和簡化易懂規(guī)范，使無線通信開發(fā)者從繁雜開發(fā)背景中解放出來。本設計使用片上自帶的串口UART，從上位機接受字符串，并載入無線發(fā)送緩存中，同時分配好數據發(fā)送的去向，分配相應的PANID，以方便數據接收端與發(fā)送端之間數據校驗。串口接收到數據后，經過無線通信將其帶著的地址信息發(fā)出，而無線通信主要通過ZigBee協(xié)議實現(xiàn)。ZigBee 使用的路由協(xié)議是基于AODV（Ad-Hoc 按需距離矢量）路由協(xié)議的Ad-Hoc網絡。

2 TI 2530 8051核心主函數

下面的函數是串口接收發(fā)送函數，首先要求接收的字符串長度要小于CC2530所能接收的長度，此后才開始進行接收，接收碼率固定為115 200 b/s（其規(guī)定于初始化中），剩下的功能為異常判斷，若出現(xiàn)異常則返回數據長度為0，接收失敗，返回未接收狀態(tài)，等待下一次接收[6]。

void rxCB（uint8 port，uint8 event）

{

if （（event & （HAL_UART_RX_FULL | HAL_UART_RX_ABOUT_FULL | HAL_UART_RX_TIMEOUT）） &&

#if SERIAL_APP_LOOPBACK

（SerialApp_TxLen < SERIAL_APP_TX_MAX））

#else

！SerialApp_TxLen）

#endif

{

SerialApp_TxLen = HalUARTRead（0， RxBuf， SERIAL_APP_TX_MAX）;

if （SerialApp_TxLen）

{

if （ AF_DataRequest（ &SampleApp_Periodic_DstAddr， &SampleApp_epDesc，

SAMPLEAPP_PERIODIC_CLUSTERID，

SerialApp_TxLen，

RxBuf，

&SampleApp_TransID，

AF_DISCV_ROUTE，

AF_DEFAULT_RADIUS ） == afStatus_SUCCESS {}

else

{// Error occurred in request to send. }

SerialApp_TxLen=0;

}

}}

3 仿真及實物下載驗證

對于有線通信部分，首先對I2C和SPI做功能時序仿真，以驗證設計的正確性和可行性，然后將實物下板驗證，實現(xiàn)其具體功能。仿真部分使用Verilog HDL語言編程和模塊設計，ModelSim軟件做功能時序仿真。I2C主要仿真結果如圖3和圖4所示。在I2C發(fā)送寄存器地址之后進行數據發(fā)送，從狀態(tài)跳變到0100中可以看出，sda_r在每個iic_scl時鐘的上升沿，隨著slv_reg2依bcnt的位數而確定的數據位改變，即除了第3位為高電平，其余均為低電平，外部讀取結果為00110011，符合slv_reg2中的數據，發(fā)送數據驗證通過[7-8]。

從圖4可以看出，每個時鐘升沿之后，當數據保持穩(wěn)定的高電平中心時，iic_rddb在由bcnt確定的相關位被寫入iic_sda_in的數據位，所有位的時序均符合要求，接收數據驗證通過。

SPI主要仿真結果如圖5所示。其仿真過程實現(xiàn)了兩個完整時序收發(fā)功能，其中包含了整體收發(fā)功能，包括起始、發(fā)送、讀取采樣、終止及兩個工作時序中的外部信號觸發(fā)的采樣時序改變和采樣觸發(fā)時鐘的改變[9]。

實物下載驗證部分，以Quartus Prime軟件作為開發(fā)平臺，在完成模塊程序調試和仿真之后，將生成的目標文件下載到Altera公司的FPGA芯片中，實現(xiàn)I2C和SPI協(xié)議的數據發(fā)送與接收功能，最終完成硬件實物的運行與驗證，如圖6所示，左側為I2C，右側為SPI[10]。

對于無線通信部分，選用TI公司CC2530芯片，基于IEEE 802.15.4標準的ZigBee協(xié)議，使用IAR Work Bench軟件進行開發(fā)與調試，最終下載到硬件實物板中進行驗證，實現(xiàn)無線通信功能如圖7所示。

4 結 語

本設計中，有線和無線通信均通過軟件編程、仿真、測試和實物下載驗證，實現(xiàn)了設計的基本功能，完成了數據的接收和發(fā)送，實現(xiàn)了智能家居主控系統(tǒng)與分控系統(tǒng)之間的通信聯(lián)系。設計中高效利用FPGA設計方法的多變性和可編程等優(yōu)勢，實現(xiàn)的I2C和SPI協(xié)議，具有高效、小型和專用的優(yōu)點。設計中CC2530通信模塊，可單獨作為模塊直接使用，亦可移植到大型通信系統(tǒng)中。

參 考 文 獻

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[3]鄭達峰.短距離無線通信技術的優(yōu)勢及運用[J].通信電源技術，2014（6）：70-71.

[4]張軍才，茹偉，趙臘才，等.I2C總線測試系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].儀表技術與傳感器，2016（12）：57-58.

[5]朱道山.一種可復用的SPI接口設計與實現(xiàn)[J].通信技術，2017（2）：389-392.

[6]馬靜.基于ZigBee無線網絡智能家居系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].科技創(chuàng)新與應，2017（4）：34-35.

[7]蔡亞芹.語音識別技術在智能家居系統(tǒng)中的應用[J].河南科技，2014（14）：68.

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