智能家居控制器硬件设计

智能家居智能控制器采用嵌入式系统设计方法。在硬件设计上尽量选择通用性、模块化的设备，按照系统的设备对硬件功能进行划分，统一接口，这样增加各个模块的通用性以及实用性，方便系统的维护和升级。

按照硬件设备功能的不同，智能家居智能控制器的硬件大致可以分为微处理器、保障系统正常工作的外围电路、输入输出设备、通信模块等。其中，智能家居控制器的微处理器采用旨在为智能终端提供低成本解决方案的三星S3C6410ARM处理器，同时搭载电源模块等外围电路保障其工作。输入输出设备选用普遍应用于智能终端产品的触摸显示屏。通信模块包括以太网接口模块、蓝牙模块、串行通信模块。系统最重要的部分是扩展了低功耗蓝牙模块，使控制器能够通过蓝牙通信的方式实现对智能家居设备实施控制。智能家居控制器的硬件系统结构如图4-1所示。

智能家居控制器的核心模块是以S3C610处理器位中心，配备一些必要的外围电路，如电源模块、时钟及复位模块等，构成控制器运行的最小系统。并且扩展了存储器模块以及用来系统调试的JTAG接口模块。

2.1电源模块

电源模块是整个控制器系统工作的基础，有着非常重要的地位，但也是被众多经常忽略的部分。本方案采用的外部电源为5V，经过电源电路的管理得到微处理器需要的1.2V电压；DDR SDRAM等需要的1.8V电压；蓝牙模块、USB、串口的需要的3.3V电压；触摸显示器需要的5V电压。图4-2和4-3分别为1.2V电源电路和1.8V电源电路的设计。

其中，XC9216A12CMR是同步整流的降压DC/DC转换器，内置0.6Ω的P-Channel MOSFET开关以及0.7Ω的N-Channel MOSFET开关。XC9216A12CMR具有很高的工作频率使得电路能够使用很小的电感和电容。通常利用两个陶瓷电容和一个电感就能构建成一个达到500mA的输出线路。

2.2时钟复位模块

(1)时钟模块：时钟信号一般由石英晶体振荡器产生，根据需要进行配置，就可以得到需要的时钟信号。S3C6410具有时钟震荡电路，在芯片的XUSBTI和XUSBXTO引脚之间接入一个48MHz晶体震荡器就能使其正常工作。在1.2V电压下，其工作频率可以达到667MHz。如果系统需要更高的工作频率，可以利用S3C6410提供的PPL，理论上工作频率可以倍频到1.6GHz。

(2)复位模块：嵌入式微处理器在刚上电开始工作时的工作状态通常不稳定，这就影响微处理器使其不能正常工作。为了使微处理器能够随时恢复到一个确定的工作状态，需要为其设计一个复位电路。复位的控制信号应该根据微处理器的引脚的输入输出电压为参考，S3C6410的引脚电压范围为3.0V~3.6V，所以一般控制信号的门槛电压小于3.0V。电路提供物理按键，这样系统就能实现上电复位及系统工作时人为的进行按键复位的功能。图4-4展示了该系统的复位电路设计。

复位电路用到了MAX811芯片。MAX811是一款可靠并且成本低廉的数字系统电源监控芯片。其工作电压为5V或3V，电源阀值为2.93V。这些特性能够满足本系统的需要。

2.3存储模块

(1)SDRAM接口电路：SDRAM工作需要同步时钟，并且为实现不丢失数据要持续刷新存储器阵列。一旦掉电，存储的数据将丢失。由于S3C6410支持32位数据总线的AM接口，所以本系统采用两个型号为K4XIG163PC-FGC6的移动DDRSDRAM。移动DDR SDRAM的K4XIG163PC-FGC6的供电电源为1.8V，功耗比较低，并且支持睡眠功能、工作不需要上拉电阻，设计简单方便。K4XIG163PC-FGC6具有四个Bank，每一个Bank对应32字节（16Mbit X 16）。所以系统总的SDRAM大小为256M。

(2)NAND-Flash接口电路：NAND-Flash属于Flash存储器的一种，其实现模式利用非线性的宏单元方案，是为固态大容量内存提供了低成本的解决方案。S3C6410支持8位数据总线的NAND-Flash接口，本方案的NAND-Flash采用K9F2G08。K9F2G08的存储容量为1 Gbit，位宽为8位。其页的大小为1 028×4 bit，每块由64页构成，共有2048块。K9F2G08的工作电压为2.7V~3.6V。S3C6410的XSELNAND引脚与VDD_IO直接相接，高电平表示Flash的选择类型为NAND-Flash。

2.4 JTAG接口模块

JTAG的全称为“Joint Test Action Group”，是一种标准的测试协议，广泛应用于芯片的内部测试以及进行系统仿真调试。一般FPGA、ARM、DSP等芯片都支持JTAG。本系统提供JTAG模块，方便开对系统进行开发和调试。

智能家居控制器负责家居内部局域网通信进行控制，此外外部网络又通过它来对家居内部设备进行访问和控制。因此，智能家居控制器要有必要的通信接口模块。本方案设计的智能家居控制器的通信模块包括：以太网接口模块，负责对外部网络进行访问；蓝牙通信模块，为家居内部局域网的通信接口；串行通信模块，用于对外接设备的扩展和测试调试时使用。

3.1 Ethernet接口模块

以太网(Ethernet)是指由Xerox公司提出的基带局域网规范，之后在Xerox、DEC和Intel公司共同开发下得到发展，该通信协议标准在当下已有局域网应用中通用。目前，该标准技术非常成熟，并且市场上有丰富的产品以及开发工具。本系统采用的Ethernet接口芯片为DM9000AEP，该芯片具有一个10/100M自适应收发器以及4K双字SRAM。该芯片是高度集成的高速以太网MAC控制器，具有功耗低，速度快，兼容5.0V和3.3V输入输出电压等特性。

3.2 USB Host模块

USB（Universal Serial BUS）是用来规范计算机与外设的连接和通信的一种总线标准，USB设备支持热插拔及即插即用的功能。本文设计的智能家居控制器有利于外部设备的扩展及通信。其中，智能家居控制的蓝牙模块与主机之间的通信就是通过USB接口实现。USB通信中的设备分为USB Host（主设备）以及USB Slave（从设备）两种。S3C6410支持2个端口的USB主机设备，并且集成了USB控制器的所有部件，外围电路设计比较简单容易实现。

3.3蓝牙通信模块

由于蓝牙4.0协议于2010年才被正式采纳，所以目前市场上支持低功耗蓝牙4.0协议的芯片不是很多，主要有Nordic推出的新一代低功耗蓝牙芯片nRF8001和TI公司的低功耗蓝牙芯片CC2540。作为款完整型低功耗蓝牙芯片，CC2540是目前较高集成度的ANT无线网络处理器，专为消费类电子、移动附件及运动医疗等应用提供的超低功耗的短距离无线通信方案。采用CC2540蓝牙的片上系统，一般仅一颗纽扣电池就可以连续工作几个月甚至超过一年。因此，出于可靠性和实用性角度出发，本系统采用CC2540作为低功耗蓝牙解决方案。CC2540的集成增强型的C8051单片机内核以及RF前端于单芯片上，拥有较高的运算速度。具有两个通用的异步/同步串行通讯接口USART；片内具有硬件乘法器，增强了数据处理和运算能力。CC2540的通信电流消耗为19.6mA~24mA，并且同其它频率2.4GHz通信器件有着良好的兼容性和互操作性，符合的蓝牙协议规范4.0版低功耗模式。

3.4串行通信模块

串口通信是计算机设备上一种常用的通信方式。智能家居控制器上配备串口通信模块可以方便串口设备的扩展，同时能够方便系统的开发及调试。目前比较常用的异步串行通信接口主要有RS-232接口、RS-449接口以及RS485接口。S3C6410支持5位、6位、7位或者8位的串行数据的收发。本方案采用的是基于RS-232的RS-232-C接口标准，该标准配备25条信号线，其中包括一条主通道以及一条辅助通道，工作电压在正负3~15V之间，因此无需外加供电设备，符合本系统的要求。

目前在嵌入式智能终端上应用广泛的人机交互设备有LCD显示器，触摸输入屏等。本方案采用以上两种设备作为输入输出设备，搭配Android操作系统，可以使智能家居控制器使用起来简单方便，同时具有较好的用户体验。

4.1 LCD显示模块

S3C6410内部集成LCD控制器，支持典型的屏幕尺寸有：800×480，640×480，320×240。本文设计的智能家居控制器考虑到在不影响使用的情况下要尽量降低成本，采用NEC的4.3寸屏的TFT LCD显示器，同时带有触摸屏。这款显示屏具有比较高的性价比，并且支持真彩显示，色彩可调。这符合S3C6410的要求。

4.2触摸屏模块

比较常见的触摸屏有电阻式、电容式、红外式以及表面声波触摸屏四种。其中电阻式触摸屏稳定性能较好，反应灵敏度也能够满足要求，同时价格便宜，所以本文采用四线电阻式触摸屏作为输入设备的解决方案。触摸屏屏幕由纵向电阻线和横向电阻线两部分组成。S3C6410通过触摸屏的X+，X-，Y+，Y-四个引脚来控制四个MOS管的通或断，这样就可以分时读取触摸屏的X坐标及Y坐标，从而确定输入的位置。在系统开始使用前，都要通过五点矫正的方式对触摸屏进行位置矫正。

总结

通过上述的各个模块的设计，智能家居控制器的硬件设计的工作就完成了。本文对基于蓝牙的智能家居控制器的硬件设计做了说明。首先介绍了智能家居控制器的硬件结构做了整体性的说明。智能家居控制器的微处理器采用S3C6410 ARM芯片，并且在之后对以S3C6410处理器为中心的核心模块硬件设计做了说明。之后介绍了智能家居控制器的通信接口的模块设计，并着重介绍了CC2540蓝牙模块。最后介绍了智能家居控制器的输入输出设备的硬件设计。

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