基于SX52的嵌入式模擬系統的研究與實(shí)現

摘　要：本文簡(jiǎn)要介紹了信息家電和家庭網(wǎng)關(guān)的特點(diǎn)以及它們的功能分配問(wèn)題，描述了利用SX52單片機模擬家庭網(wǎng)關(guān)的通用設計方法，具體對如何在SX52上擴展軟硬件模擬家庭網(wǎng)關(guān)功能和信息家電功能進(jìn)行了重點(diǎn)分析討論，并以模擬電冰箱為例做了具體實(shí)現，為后續的家庭網(wǎng)關(guān)和信息家電研究提供了基礎實(shí)驗平臺。
關(guān)鍵詞：家庭網(wǎng)關(guān)；信息家電；嵌入式系統；SX52；嵌入式Web服務(wù)器

1 引言

信息家電（3C或說(shuō)是IA）對人們來(lái)說(shuō)已經(jīng)不再是一個(gè)陌生的名字了，它是利用電腦、電信和電子技術(shù)與傳統家電相結合的創(chuàng )新產(chǎn)品，是為數字化與網(wǎng)絡(luò )技術(shù)更廣泛地深人家庭生活而設計的新型家用電器。要將它們與外部網(wǎng)絡(luò )（如Internet）連接進(jìn)行信息交互，利用家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行集中式管理無(wú)疑是一個(gè)理想的解決方案。家庭網(wǎng)關(guān)就是這樣一種簡(jiǎn)單的、智能的、標準化的、靈活的整個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò )接口單元，它可以從不同的外部網(wǎng)絡(luò )接收通訊信號，通過(guò)家庭網(wǎng)絡(luò )傳遞信號給某個(gè)消費設備。但是，目前家庭網(wǎng)關(guān)在體系結構、功能分配等方面的標準還未確定，對其的研究正在如火如荼進(jìn)行中。

本文采用SX52嵌入式網(wǎng)絡(luò )單片機集成式開(kāi)發(fā)系統主模塊模擬家庭網(wǎng)關(guān)，并利用其外圍擴展模塊模擬信息家電，從而成功搭建了一個(gè)模擬家庭網(wǎng)關(guān)和信息家電交互的軟硬件平臺，這種利用一個(gè)單片機集成系統對家庭網(wǎng)關(guān)和信息家電進(jìn)行模擬，為研究信息家電的內部體系結構以及家庭網(wǎng)關(guān)和信息家電功能分配提供了實(shí)驗平臺，同時(shí)大大節省了資源和費用。

2 相關(guān)理論研究

2.1信息家電

信息家電是所有能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò )系統交互信息的家電產(chǎn)品，也就是說(shuō)信息家電是將數字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)集成在電冰箱、洗衣機等傳統家用電器上并以此為基礎建立家庭網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，信息家電具有以下特點(diǎn)：（1）通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)方式相連，能相互識別并協(xié)同工作與網(wǎng)絡(luò )化；（2）能夠遵循一定的協(xié)議，通過(guò)家庭網(wǎng)關(guān)或直接與外部網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行信息交互；（3）功能單一[1]集中并且使用簡(jiǎn)單；（4）具有實(shí)時(shí)化、數字化與智能化的特點(diǎn)；（5）應用嵌入式操作系統。根據這些特點(diǎn)，我們將其內部體系結構分為上下兩大模塊層，上層為軟件模塊，由上至下為應用層（如服務(wù)注冊、應用協(xié)議解釋等）、嵌入式操作系統層(如嵌入式Linux、WinCE等)、設備驅動(dòng)層(如液晶顯示屏驅動(dòng)、觸摸屏驅動(dòng)等)，下層為硬件模塊，包括核心主板(包括嵌入式處理器芯片如S3C2410等) 、家電硬件及控制層(自帶控制模塊)、外圍芯片(如RTL8019AS、Bluetooth等)。其中核心主板為主控制器，信息家電通過(guò)外圍芯片與外界進(jìn)行信息交互，在核心主板的控制下再與家電控制模塊進(jìn)行雙向信息交流，從而實(shí)現對家電硬件的監控。這里提到的嵌入式操作系統在今后隨著(zhù)信息家電產(chǎn)品功能的增多增強，對其的使用是一種必然趨勢，本文在有限資源的單片機上實(shí)現模擬系統就沒(méi)有對其進(jìn)行討論。

2.2家庭網(wǎng)關(guān)

單個(gè)的信息家電也可以具有與Internet直接連接上網(wǎng)的功能，但是借助現有的計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，將家庭內各種家電和設備連網(wǎng)，通過(guò)家庭網(wǎng)絡(luò )為人們提供各種豐富、多樣化、個(gè)性化、方便、舒適、安全和高效的服務(wù)，把所有的信息家電連接起來(lái)形成一個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò )，再把接入Internet的功能移至到家庭網(wǎng)關(guān)，由家庭網(wǎng)關(guān)承擔起與Internet進(jìn)行信息交互的責任，這不僅會(huì )減少信息家電的負載、降低成本，而且對家庭網(wǎng)絡(luò )化也是一種促進(jìn)，因為家庭網(wǎng)絡(luò )內部可以使用不同的協(xié)議，從而更具靈活性。因此，實(shí)現家庭網(wǎng)絡(luò )與外部信息的交換需要設計一個(gè)理想的家庭網(wǎng)關(guān)。家庭網(wǎng)關(guān)應具備的兩個(gè)主要功能是：(1)作為家庭內部網(wǎng)絡(luò )和外部網(wǎng)絡(luò )連接的一種物理接口；(2)使住宅用戶(hù)可以獲得各種家庭服務(wù)（包括現有的服務(wù)和未來(lái)可能出現的服務(wù)，譬如經(jīng)過(guò)授權能打開(kāi)朋友家的影碟機進(jìn)行影片觀(guān)看等）的平臺。

家庭網(wǎng)關(guān)接口的有效的解決方案，當前比較統一的觀(guān)點(diǎn)是開(kāi)發(fā)一個(gè)集中式網(wǎng)關(guān)，它將提供一個(gè)最有效的橋接外部網(wǎng)絡(luò )和家庭網(wǎng)絡(luò )或設備的解決方案。另外，以PC作為家庭網(wǎng)關(guān)，體積過(guò)大，環(huán)境適應能力差，而且還必須安裝兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )適配器（一個(gè)用于連接 Internet，一個(gè)用于連接內部網(wǎng)絡(luò )），總的費用也比一臺專(zhuān)用網(wǎng)關(guān)要高。因此，設計專(zhuān)用網(wǎng)關(guān)是完全有必要的。鑒于家庭網(wǎng)關(guān)的功能特點(diǎn)，其邏輯結構應如圖1所示。

圖1家庭網(wǎng)關(guān)邏輯結構

3 硬件選型

3.1 SX52的特點(diǎn)

如何利用單片機本身有限的資源對信息進(jìn)行TCP／IP協(xié)議處理，使之變成可以在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸的IP數據包？目前有兩種方案：一種是PC網(wǎng)關(guān)+專(zhuān)用網(wǎng)，缺點(diǎn)是要增加布線(xiàn)和第三方協(xié)議轉換軟件；另一種是32位MCU+RTOS，弊端是開(kāi)發(fā)難，成本極高。而用軟件方法實(shí)現網(wǎng)絡(luò )協(xié)議比采用集成網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的芯片，具有節省空間、降低成本的優(yōu)點(diǎn)，更重要的是可以隨意配置甚至修改各種協(xié)議，且能通過(guò)軟件升級方式跟隨未來(lái)的發(fā)展。通過(guò)美國Ubicom公司的SX52微控器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )控制就具備這個(gè)優(yōu)勢，其主要特點(diǎn)有：（1）速度快，在100MHz頻率下能達到100MIPS；（2）現成的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議模塊供套用，可以通過(guò)虛擬外設功能來(lái)運行網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧，例如TCP、IP、HTTP以及SMTP等；（3）強大的虛擬外設功能，即通過(guò)軟件對I/O口進(jìn)行靈活的配置，CPU執行虛擬軟件模塊就可以驅動(dòng)普通的I/O口來(lái)模擬外設的功能，比如UART、SPI、IIC和FSK等。采用其成功的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議模塊和一些適用于小型嵌入式系統的做法構筑現場(chǎng)控制是非常合適的做法。

3.2 SX52主要功能模塊

　　3.2.1 CPU模塊（包括在線(xiàn)下載 ISP 電路）

此模塊實(shí)現開(kāi)發(fā)系統板的系統控制，并實(shí)現網(wǎng)絡(luò )接口控制，主要包含SX52BD。SX52BD為開(kāi)發(fā)系統板主CPU，它是一款RISC指令集的高速8位單片機，片上帶有4K16 位的Flash存儲器和2628位的RAM。由于采用CPU并行流水線(xiàn)方式及單時(shí)鐘周期指令，指令執行速度可達100MIPS。這款單片機可以廣泛應用在需要網(wǎng)絡(luò )支持的場(chǎng)合，尤其適合于需要遠程監控的應用中。開(kāi)發(fā)系統板所實(shí)現的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議（IP、ARP、DHCP、UDP、TCP、HTTP、SMTP）就是通過(guò)此芯片實(shí)現的。

　　3.2.2 網(wǎng)絡(luò )接口模塊

此模塊實(shí)現了兩種網(wǎng)絡(luò )接口方式： 以太網(wǎng)接口和調制解調器接口, 主要包含RTL8019AS、以太網(wǎng)收發(fā)濾波器芯片、MAX232等。

3.2.3 用戶(hù)試驗區模塊

主CPU的信號引腳都已經(jīng)連接到用戶(hù)試驗區的周?chē)?，?組共40條信號線(xiàn)。開(kāi)發(fā)使用人員可以在試驗區利用這些信號進(jìn)行相應的外圍電路擴展試驗。

4 模擬系統的設計與實(shí)現

4.1 硬件設計與實(shí)現

本文選擇SX52作為模擬實(shí)現信息家電和家庭網(wǎng)關(guān)交互的平臺是非常合適的，因為我們利用其用戶(hù)試驗區模塊擴展外圍模塊電路（如電冰箱遙控模塊）模擬信息家電，以主模塊模擬家庭網(wǎng)關(guān)，以實(shí)現通過(guò)遠程終端（Web瀏覽器或者專(zhuān)用控制客戶(hù)端）對信息家電的控制，本文只討論利用專(zhuān)用控制客戶(hù)端，通過(guò)串口通訊方式實(shí)現對家電的遠程控制。在板上添加了紅外遙控發(fā)射電路（主芯片CS5104）模擬電冰箱，能夠實(shí)現對電冰箱的遙控功能，同時(shí)為了了解開(kāi)發(fā)系統遙控效果，還添加了遙控接收電路（主芯片CS8206），可以響應發(fā)射電路的遙控信號。還添加了遙控接收端狀態(tài)LED（9只）用于顯示電冰箱狀態(tài)。硬件構成框圖如圖2所示，本文只給出包含電冰箱模塊的框圖，添加其它模塊類(lèi)似。

圖2 系統硬件構成框圖

4.2 軟件設計與實(shí)現

通過(guò)專(zhuān)用控制客戶(hù)端控制信息家電，首先要定義控制協(xié)議，讓從客戶(hù)端發(fā)送過(guò)去的信息被家庭網(wǎng)關(guān)解包提取有效信息后能進(jìn)行協(xié)議轉換，把控制信息轉化為控制命令發(fā)送給信息家電，以執行正確的操作，系統工作流程如下：

（1）開(kāi)發(fā)系統板上電后初始化主芯片及各外圍芯片。

（2）打開(kāi)客戶(hù)端程序如圖3所示。

（3）根據需要配置控制電冰箱的各選項，點(diǎn)擊“確定”后即啟動(dòng)開(kāi)發(fā)板上的電冰箱模塊，然后客戶(hù)端程序發(fā)出的服務(wù)請求（包含連接家庭網(wǎng)關(guān)的認證請求），經(jīng)過(guò)開(kāi)發(fā)板上的RTL8019AS,再經(jīng)SX52解釋驗證，如果驗證成功，在SX52控制下把已經(jīng)轉換的請求信息發(fā)送給電冰箱遙控發(fā)射芯片，該芯片發(fā)送遙控信號遙控接收電路，通過(guò)相應的LED顯示，從而響應遠程控制請求。最后通過(guò)觀(guān)看控制界面上的顯示狀態(tài)與開(kāi)發(fā)板上相應LED顯示是否相符（界面上表示溫度的滑竿只設計了三個(gè)固定溫度，在開(kāi)發(fā)板上用三個(gè)LED分別顯示），從而檢驗模擬系統運行成功與否。

圖3 專(zhuān)用控制客戶(hù)端界面

由于考慮到單片機的處理能力，定義單個(gè)字符傳遞控制信息不僅可以節省資源，而且可以縮短響應時(shí)間，滿(mǎn)足更高的實(shí)時(shí)性要求。以對電冰箱模塊的模擬為例，由客戶(hù)端程序發(fā)送給網(wǎng)關(guān)的信息，由網(wǎng)關(guān)提取后轉發(fā)給電冰箱模塊，其中的控制協(xié)議具體實(shí)現如下：用'e'代表關(guān)閉，'t'代表設置溫度（考慮到單片機的處理能力有限，只利用 “高中低”代表溫度設定值），'s'代表啟動(dòng)/凍速（快速、標準、慢速，啟動(dòng)后默認為標準），'m'代表工作模式（省電模式和正常模式）。選擇好各選項按“確定”后，就將控制信息以數據報的形式發(fā)送給家庭網(wǎng)關(guān)（SX52），家庭網(wǎng)關(guān)再進(jìn)行解拆包，把來(lái)自客戶(hù)端的有效控制信息提取出來(lái)，再轉換成為模擬信息家電的電冰箱模塊所能識別的形式，最后通過(guò)I²C總線(xiàn)發(fā)給電冰箱模塊。后面相應的燈就按已經(jīng)定義好的規律變亮或是變暗，表示溫度的滑竿的狀態(tài)也相應變化。

根據上面制定的協(xié)議，制作客戶(hù)端和在相應的文件中進(jìn)行代碼添加和修改，再按以下的步驟完成最后的工作：

（1）制作客戶(hù)端實(shí)現以上協(xié)議，并顯示電冰箱的控制狀態(tài)信息，頁(yè)面外觀(guān)如圖3所示。

（2）修改i2c_uartdemo.src源文件，將其中的串口連接方式改為以太網(wǎng)連接方式，并添加電冰箱初始化代碼、中斷代碼和協(xié)議轉化模塊。

（3）利用匯編/編程器軟件SXKey52.exe將文件i2c_uartdemo.src下載到開(kāi)發(fā)系統板，然后利用PC上運行的客戶(hù)端程序（如圖3所示）對開(kāi)發(fā)板上的電冰箱硬件電路進(jìn)行控制。

5 小 結

本文從研究家庭網(wǎng)關(guān)和信息家電出發(fā)，選擇高性能的8位SX52單片機集成系統并進(jìn)行軟硬件裁剪，成功地利用外圍硬件電路和虛擬外圍及網(wǎng)絡(luò )協(xié)議軟件虛擬模塊，搭建了模擬家庭網(wǎng)關(guān)和信息家電的嵌入式實(shí)驗平臺，為進(jìn)一步研究家庭網(wǎng)關(guān)和信息家電內部結構以及二者之間的功能分配打下了堅實(shí)的基礎。

參考文獻

[1] 秦勃,章軍,基于嵌入式系統的安全網(wǎng)關(guān)的設計,微計算機信息,2005年第21卷第8-2 期