基于USB通信的多功能智能插座

1. 概述  

现有的插座在其使用方式、功能以及外形特征等诸方面都表现出多样化的趋势。有的增加了保险功能、电源指示功能、开关功能,有的增加了调压功能。这些插座的功能无论怎样,只能是单一的目的:为用电设备提供电源接口。它们的共同缺陷就是不具有信息化和智能化功能。为了实现插座的信息化和智能化，我们将研究设计的智能信息系统与插座结合,将该智能设备与电源插座合为一体,设计成多功能智能监测插座。该插座由于在建筑电气安装时一次性固定完成,采用照明电源供电,人们使用时就好象使用普通电源插座一样,免除了过多的连接线。
  
2.系统功能与组成  

2．1功能  

该多功能智能监测插座是在普通插座的基础上,结合信息的需要,增加了如下功能:  

1） 对接入插座的电器的电压、电流、频率进行监测。  
2） 对插座工作环境温度进行监测。  
3） 将监测到的电器的工作电压或电流与其额定值进行比较，如果超过额定值，主机就发送命令给执行单元，自动切断该电器的电源，实现了保护功能。  
4） 通信功能：将监测到的信息经过通信接口传给上位机，在家庭内部或工业现场可以连成一个局域网。在主机端人们可以通过一个人机界面定期或不定期查询接入插座的诸电器的工作状况。如果想实现进一步的方便，可以将该局域网通过公用电话网连到Internet 上，这样就可以在家庭以外的地方用手机或PC机随时方便地查询家用电器的工作情况了。  

2． 2组成  

该智能监测插座由电源系统、监测系统、控制系统、通信系统四部分组成。

(1)电源系统:完成照明电源到直流稳压电源的变换,提供给该智能系统工作电源。由隔离降压、整流、滤波、稳压等电路组成。  
(2)监测系统:由电压传感器、电流传感器和温度传感器以及模／数变换电路组成,负责信息的采集处理。  
(3)控制系统:由微处理机(单片机)和执行器件组成。微控制器一方面控制采集部分的模拟量到数字量的转换；另一方面接受上位机的命令，然后将这个命令交给执行单元去完成，比如切断用电器的电源。  
(4通信系统：该插座的通信系统主要是在其内部增加一个通信接口，以便联网和服务器进行通信。由于该设备构成局域网，在设计要采用分层次的设计思想，在这篇文章里，只考虑设计最低的一层：物理层的通信实现。  

3． 物理层通信的设计  

在串行通信口的缺点中有三项最为突出：低速、复杂的电缆和端口数的限制。通用串行总线（USB）不仅克服了所有这三项缺点，而且具有支持热插拔、容易扩展、低成本、低干扰等优点。USB标准已经成为业界普遍认同的一种事实上的接口标准，支持这一标准各种新产品正在大量涌现，而且现在的微型计算机上都有USB接口，所以我们就选择USB作为该多功能插座和主机串行通信的接口。  

3．1 USB接口芯片及其工作原理  

在这篇文章中我们采用Philips公司推出的PDIUSBD12芯片，这是一种价格便宜、功能完善的并行接口芯片,它支持多路复用、非多路复用和DMA并行传输。PDIUSBD12接口芯片遵从协议USB1.1,适合于不同用途的传输类型。PDIUSBD12需要外接微控制器(MCU)来进行协议处理和数据交换,它对MCU没有特殊要求,而且接口方便灵活,因此设计师可以选用自己熟悉的MCU对芯片进行控制,也可利用Philips公司的固件(firmware)结构来缩短开发时间、降低风险、减小投资。  

性能特点：PDIUSBD12除了具有USB设备的一般特性外,还具有如下特点:

（1）是一种高性能的USB接口芯片,其内部集成有SIE（Serial Interface Engine）、320字节的FIFO、收发器和电压调节器。
（2）适用于大部分设备类规范。可与任何外部微控制器／微处理器实现高速并行接口,其速度可高达2Mbit/s。  
（3）可进行完全独立的DMA操作。  
（4）主端点配置有双缓冲,因而可提高数据的吞吐量、减小数据传输时间,轻松实现数据的实时传输。  
（5）当采用同步传输方式时,数据的传输速度为1Mbit/s;而采用批量传输方式的速度为1Mbyte/s。在使用上述方式进行数据传输时,可方便地使用多种中断方式。  
（6）带有可编程的时钟输出,与USB总线的连接可通过软件来控制(Soft Connect TM)。  
（7）有两种工作电压可供选择:分别为3.3±0.3Ｖ和3.6～5.5Ｖ。  
（8）输出和数据传输状态可通过USB连接指示灯来监控。  

3．2 通信硬件电路设计  

本文我们选用89C52单片机作为该系统的微控制器。PDIUSBD12和89C52的电路连接如图1所示：