基于A(yíng)RM-Clinux的無(wú)線(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)設計
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隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和信息家電的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的家庭要求建立家庭網(wǎng)絡(luò )。家庭網(wǎng)關(guān)是整個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò )的核心，它主要實(shí)現 Internet接入、遠程控制，以及連接家庭內部異構子網(wǎng)的功能。基于PC機方案的家庭網(wǎng)關(guān)不僅成本較高，而且要求計算機一直處于開(kāi)機并可進(jìn)行通信的狀態(tài)，還不能在計算機上運行干擾通信任務(wù)的軟件和硬件。所以，為適應普通用戶(hù)，家庭網(wǎng)關(guān)應設計為基于廉價(jià)的非PC機設備。但是，若采用8位、16位單片機，由于速度慢且資源有限，實(shí)現TCP/IP協(xié)議比較困難，所以也不太理想。
因此本文以ARM核的32位嵌入式微處理器作為硬件平臺，結合無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，通過(guò)移植嵌入式操作系統Clinux，并在其上開(kāi)發(fā)相應的驅動(dòng)程序、應用程序和嵌入式Web服務(wù)器，實(shí)現了一個(gè)方便、實(shí)用的家庭網(wǎng)關(guān)。
系統的硬件設計
系統結構及工作原理
家庭網(wǎng)關(guān)的系統結構如圖1所示,它以三星公司的32位RISC處理器S3C44B0X為核心，通過(guò)外擴存儲器(Flash / SDRAM)、藍牙模塊、液晶顯示屏、小鍵盤(pán)、以太網(wǎng)接口模塊、電話(huà)語(yǔ)音控制模塊和紅外收發(fā)模塊等來(lái)構建硬件平臺，并可實(shí)現多種控制方式。
圖1 家庭網(wǎng)關(guān)系統結構圖
1) 在本地用鍵盤(pán)及顯示器進(jìn)行控制：系統設有16按鍵和一塊12832點(diǎn)陣的液晶顯示器，便于用戶(hù)在本地進(jìn)行狀態(tài)的設置和查詢(xún)，如數據查詢(xún)、電器控制等。
2) 在本地的紅外遙控：通過(guò)具有自學(xué)習功能的紅外遙控模塊，能實(shí)現室內家電的紅外遙控。
3) 遠程的電話(huà)語(yǔ)音控制：這是一種基于公共電話(huà)交換網(wǎng)(PSTN)的電話(huà)遠程控制，用于電話(huà)的指令控制，如遠程控制家電、電話(huà)報警等。
4) 基于Internet的遠程控制：采用瀏覽器端/服務(wù)器端結構(B/S結構)，用戶(hù)可直接用Windows自帶的IE瀏覽器作為客戶(hù)端程序，以達到隨時(shí)隨地進(jìn)行遠程控制的目的。
無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)是實(shí)現家庭網(wǎng)絡(luò )最理想的技術(shù)，它可以省去在家庭內部重新布線(xiàn)的麻煩。在本家庭網(wǎng)關(guān)的設計中，采用藍牙模塊作為無(wú)線(xiàn)通信模塊與底層的各功能模塊相互通訊。
硬件電路組成
本系統的硬件設計主要包括以S3C44B0X嵌入式微處理器為核心所搭建的基本硬件平臺，以及藍牙通信、電話(huà)語(yǔ)音控制和紅外遙控等模塊的硬件設計。
以S3C44B0X為核心的基本硬件平臺基本系統的硬件框圖如圖2所示，各部分的功能與接口電路分析如下。
圖2 家庭網(wǎng)關(guān)基本硬件平臺框圖
ARM微處理器S3C44B0X：S3C44B0X是三星公司生產(chǎn)的ARM7內核的SoC，通過(guò)在A(yíng)RM7TDMI內容基礎上擴展一系列完整的通用外圍器件，令其很適合手持式設備和普通嵌入式的應用。
Flash存儲器接口電路：Flash芯片用來(lái)存儲家庭網(wǎng)關(guān)中的嵌入式操作系統、家庭網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器、CGI網(wǎng)關(guān)應用程序以及支持各種服務(wù)所需的文件系統。在系統中采用一片HY29LV160構建16位的Flash存儲器系統，其存儲容量為2MB。系統上電或復位后從此獲取指令并開(kāi)始執行，因此將Flash 存儲器配置到ROM/SRAM/FLASH Bank0。
SDRAM接口電路：嵌入式操作系統的存在需要有一定量的動(dòng)態(tài)RAM，解壓縮后的操作系統將從Flash搬移至SDRAM，駐留內存;同時(shí)，用戶(hù)堆棧、運行數據也都會(huì )放在SDRAM中。S3C44B0X芯片提供的8K緩存遠遠不能滿(mǎn)足要求?？紤]到實(shí)際應用的需求，設計中選擇了三星的K4S281632D，它的數據寬度是16 位,由4 個(gè)Bank 組成，存儲容量為16 MB。S3C44B0X的Bank6和Bank7 支持SDRAM，因此可以方便連接。在總線(xiàn)寬度控制寄存器BWSCON 中設置Bank6 的數據寬度為16 位，在Bank6 控制寄存器BANKCON6中設置MT = 0x3， Trcd= 0x0，SCAN = 0x01，在存儲容量寄存器BANKSIZE中設置BK76MAP = 0x110 即可。
10/100M以太網(wǎng)接口電路： S3C44B0X內部已包含了以太網(wǎng)MAC控制，但并未提供物理層接口，因此，需外接一片物理層芯片以提供以太網(wǎng)的接入通道。在本設計中選用的是 RTL8201。由于S3C44B0X片內已有帶MII接口的MAC控制器，而RTL8201也提供了MII接口，各種信號的定義也很明確，因此 RTL8201與S3C44B0X的連接比較簡(jiǎn)單，在連接時(shí)只需將兩塊芯片的相應引腳互連即可。值得注意的是，使用CMOS工藝的RTL8201不能直接與RJ45接口相連，由于電平信號的不同以及網(wǎng)絡(luò )沖擊信號的存在，兩者之間需要隔離及電平信號轉換的元件，本設計中選用了網(wǎng)絡(luò )變壓器HR61H58L。
串行接口電路：為完成和家庭內部網(wǎng)絡(luò )的藍牙通信模塊、紅外發(fā)射與接收模塊以及電話(huà)語(yǔ)音控制模塊的通信，家庭網(wǎng)關(guān)需要有異步串行通信接口，由于 S3C44B0X只有兩個(gè)異步串口，因此需要對串口進(jìn)行擴展。本設計中選用一片ST16C554 芯片進(jìn)行串口擴展。由于S3C44B0X系統的LVTTL電路所定義的高、低電平信號與RS-232-C標準所定義的高、低電平信號不同，兩者間要進(jìn)行通信必須經(jīng)過(guò)信號電平的轉換。在這里采用MAX202將串口數據信號轉換成TTL電平，再通過(guò)ST16C554輸出中斷請求。4個(gè)串口的中斷請求進(jìn)行或運算，產(chǎn)生IRQ信號INTREQ，經(jīng)CPLD再與CPU的終端控制器相連。
IIC接口電路：S3C44B0X內含一個(gè)IIC總線(xiàn)主控器，可方便地與各種帶有IIC接口的器件相連。在該系統中，外擴一片AT24C01作為IIC存儲器。AT24C01提供128字節的EEPROM存儲空間，可用于存放少量在系統掉電時(shí)需要保存的數據，比如家庭網(wǎng)關(guān)的參數設置和用戶(hù)身份驗證碼等。
LCD顯示模塊：該模塊可采用夏普公司生產(chǎn)的LM057QC1T01，它是圖形點(diǎn)陣256色STN液晶模塊，分辨率為320240。由于S3C44B0X和LM057QC1T01都具有很強的通用性，因此易于連接，但需要在控制器和LCD接口之間加裝能實(shí)現電壓偏轉功能的電路，來(lái)實(shí)現輸出LCD顯示所需的27V偏轉電壓。
鍵盤(pán)接口電路：用8個(gè)通用I/O口組成44鍵盤(pán)。
S3C44B0X所需的其他外圍電路：JTAG接口電路(用于JTAG調試)、復位電路和電源電路。
其他功能模塊藍牙模塊：在本方案中，藍牙硬件芯片采用愛(ài)立信公司的ROK 101008 模塊。家庭網(wǎng)關(guān)采用在Clinux操作系統下安裝BlueZ以配合藍牙模塊，并基于L2CAP層建立相關(guān)協(xié)議的方式進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
電話(huà)語(yǔ)音控制模塊：采用雙音頻撥號芯片DTMF8870、語(yǔ)音合成芯片ISD1420、鈴流檢測芯片電路以及89C51等來(lái)組成電話(huà)語(yǔ)音控制模塊。
紅外遙控模塊：系統中增加了紅外接收模塊和紅外發(fā)射模塊。紅外接收模塊選用BA5302，紅外信號從其頂部輸入，經(jīng)過(guò)放大、整形、解調后，被轉換成 TTL電平的數字信號；紅外發(fā)射模塊將剛才學(xué)習到的紅外原碼進(jìn)行調制并發(fā)送出去，在這里采用軟件編碼的方法產(chǎn)生調制信號，因此電路很簡(jiǎn)單。
系統的軟件平臺
建立Clinux開(kāi)發(fā)環(huán)境基于Clinux操作系統的應用開(kāi)發(fā)環(huán)境一般是由目標系統硬件開(kāi)發(fā)板(S3C44B0X的開(kāi)發(fā)板)和宿主PC機所構成。目標板所用到的操作系統的內核編譯、應用程序的開(kāi)發(fā)和調試需要通過(guò)宿主PC機來(lái)完成。兩者之間一般通過(guò)串口、并口或以太網(wǎng)接口來(lái)建立連接關(guān)系。首先，要在宿主機上安裝標準Linux操作系統，之后就可以建立交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境。從網(wǎng)上下載工具鏈，并將交叉編譯器安裝到宿主機上。還要根據家庭網(wǎng)關(guān)的需要重新配置、編譯內核，進(jìn)行Clinux移植。成功后可看到Clinux-Samsung/images目錄下有兩個(gè)內核文件：image.ram和 image.rom。將image.rom燒寫(xiě)入ROM/SRAM/FLASH Bank0對應的Flash存儲器中，當系統復位或上電時(shí)，內核會(huì )自解壓到SDRAM，并開(kāi)始運行。這樣一個(gè)嵌入式應用開(kāi)發(fā)平臺就搭建成功了。
硬件驅動(dòng)和應用程序的開(kāi)發(fā)也要在交叉編譯環(huán)境中進(jìn)行，先在PC機上開(kāi)發(fā)，然后移植到目標機上進(jìn)行調試并最終固化到目標機上。本設計中需要開(kāi)發(fā)的硬件驅動(dòng)有：以太網(wǎng)卡控制器、串口、LCD驅動(dòng)、藍牙模塊、小鍵盤(pán)的驅動(dòng)程序等。為L(cháng)inux內核編寫(xiě)驅動(dòng)并不像其他操作系統那么復雜，只需為相應的設備編寫(xiě)幾個(gè)基本函數并向VFS注冊即可，一般都是在一個(gè)現成的驅動(dòng)程序基礎上針對特殊的硬件設備作相應的改動(dòng)。在嵌入式操作系統的基礎上還要開(kāi)發(fā)微型GUI,編寫(xiě)動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)和CGI程序來(lái)實(shí)現嵌入式WEB技術(shù)、安全認證、及無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議等。例如：基于Internet的遠程控制是通過(guò)瀏覽家庭網(wǎng)關(guān)中的Web Server的動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)實(shí)現的，遠程控制程序需要從用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)信息中解出有用的控制命令信息，然后按家庭控制網(wǎng)的內部協(xié)議組成命令幀，實(shí)現控制的關(guān)鍵是 CGI程序的編制，其流程如圖3所示。
圖3 Internet 遠程控制程序流圖
結語(yǔ)
本文討論了一個(gè)基于A(yíng)RM微處理器S3C44B0X及Clinux的無(wú)線(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)的軟硬件設計。該家庭網(wǎng)關(guān)控制方式多樣，并且能隨時(shí)隨地通過(guò)瀏覽網(wǎng)頁(yè)實(shí)現對家電的遠程控制。該家庭網(wǎng)關(guān)成本較低，易于升級，便于推廣應用。
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