引言
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息家電的飛速發(fā)展，越來越多的家庭要求建立家庭網(wǎng)絡(luò)。家庭網(wǎng)關(guān)是整個家庭網(wǎng)絡(luò)的核心，它主要實(shí)現(xiàn)Internet接入、遠(yuǎn)程控制，以及連接家庭內(nèi)部異構(gòu)子網(wǎng)的功能。基于PC機(jī)方案的家庭網(wǎng)關(guān)不僅成本較高，而且要求計(jì)算機(jī)一直處于開機(jī)并可進(jìn)行通信的狀態(tài)，還不能在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行干擾通信任務(wù)的軟件和硬件。所以，為適應(yīng)普通用戶，家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)設(shè)計(jì)為基于廉價(jià)的非PC機(jī)設(shè)備。但是，若采用8位、16位單片機(jī)，由于速度慢且資源有限，實(shí)現(xiàn)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(jié)合無線通信技術(shù)，通過移植嵌入式操作系統(tǒng)uClinux，并在其上開發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動程序、應(yīng)用程序和嵌入式Web服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了一個方便、實(shí)用的家庭網(wǎng)關(guān)。
系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理
家庭網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,它以三星公司的32位RISC處理器S3C44B0X為核心，通過外擴(kuò)存儲器(Flash / SDRAM)、藍(lán)牙模塊、液晶顯示屏、小鍵盤、以太網(wǎng)接口模塊、電話語音控制模塊和紅外收發(fā)模塊等來構(gòu)建硬件平臺，并可實(shí)現(xiàn)多種控制方式。
圖1 家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
1) 在本地用鍵盤及顯示器進(jìn)行控制：系統(tǒng)設(shè)有16按鍵和一塊128×32點(diǎn)陣的液晶顯示器，便于用戶在本地進(jìn)行狀態(tài)的設(shè)置和查詢，如數(shù)據(jù)查詢、電器控制等。
2) 在本地的紅外遙控：通過具有自學(xué)習(xí)功能的紅外遙控模塊，能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)家電的紅外遙控。
3) 遠(yuǎn)程的電話語音控制：這是一種基于公共電話交換網(wǎng)(PSTN)的電話遠(yuǎn)程控制，用于電話的指令控制，如遠(yuǎn)程控制家電、電話報(bào)警等。
4) 基于Internet的遠(yuǎn)程控制：采用瀏覽器端/服務(wù)器端結(jié)構(gòu)(B/S結(jié)構(gòu))，用戶可直接用Windows自帶的IE瀏覽器作為客戶端程序，以達(dá)到隨時隨地進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的目的。
無線通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)最理想的技術(shù)，它可以省去在家庭內(nèi)部重新布線的麻煩。在本家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)中，采用藍(lán)牙模塊作為無線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(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)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(lán)牙通信、電話語音控制和紅外遙控等模塊的硬件設(shè)計(jì)。
以S3C44B0X為核心的基本硬件平臺基本系統(tǒng)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(nèi)核的SoC，通過在ARM7TDMI內(nèi)容基礎(chǔ)上擴(kuò)展一系列完整的通用外圍器件，令其很適合手持式設(shè)備和普通嵌入式的應(yīng)用。
Flash存儲器接口電路：Flash芯片用來存儲家庭網(wǎng)關(guān)中的嵌入式操作系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、CGI網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序以及支持各種服務(wù)所需的文件系統(tǒng)。在系統(tǒng)中采用一片HY29LV160構(gòu)建16位的Flash存儲器系統(tǒng)，其存儲容量為2MB。系統(tǒng)上電或復(fù)位后從此獲取指令并開始執(zhí)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(tǒng)的存在需要有一定量的動態(tài)RAM，解壓縮后的操作系統(tǒng)將從Flash搬移至SDRAM，駐留內(nèi)存;同時，用戶堆棧、運(yùn)行數(shù)據(jù)也都會放在SDRAM中。S3C44B0X芯片提供的8K緩存遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。考慮到實(shí)際應(yīng)用的需求，設(shè)計(jì)中選擇了三星的K4S281632D，它的數(shù)據(jù)寬度是16 位,由4 個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。在總線寬度控制寄存器BWSCON 中設(shè)置Bank6 的數(shù)據(jù)寬度為16 位，在Bank6 控制寄存器BANKCON6中設(shè)置MT = 0x3， Trcd= 0x0，SCAN = 0x01，在存儲容量寄存器BANKSIZE中設(shè)置BK76MAP = 0x110 即可。
10/100M以太網(wǎng)接口電路：S3C44B0X內(nèi)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(shè)計(jì)中選用的是RTL8201。由于S3C44B0X片內(nèi)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的連接比較簡單，在連接時只需將兩塊芯片的相應(yīng)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(zhuǎn)換的元件，本設(shè)計(jì)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(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的藍(lán)牙通信模塊、紅外發(fā)射與接收模塊以及電話語音控制模塊的通信，家庭網(wǎng)關(guān)需要有異步串行通信接口，由于S3C44B0X只有兩個異步串口，因此需要對串口進(jìn)行擴(kuò)展。本設(shè)計(jì)中選用一片ST16C554 芯片進(jìn)行串口擴(kuò)展。由于S3C44B0X系統(tǒng)的LVTTL電路所定義的高、低電平信號與RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)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)過信號電平的轉(zhuǎn)換。在這里采用MAX202將串口數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成TTL電平，再通過ST16C554輸出中斷請求。4個串口的中斷請求進(jìn)行或運(yùn)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(nèi)含一個IIC總線主控器，可方便地與各種帶有IIC接口的器件相連。在該系統(tǒng)中，外擴(kuò)一片AT24C01作為IIC存儲器。AT24C01提供128字節(jié)的EEPROM存儲空間，可用于存放少量在系統(tǒng)掉電時需要保存的數(shù)據(jù)，比如家庭網(wǎng)關(guān)的參數(shù)設(shè)置和用戶身份驗(yàn)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320×240。由于S3C44B0X和LM057QC1T01都具有很強(qiáng)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(xiàn)電壓偏轉(zhuǎn)功能的電路，來實(shí)現(xiàn)輸出LCD顯示所需的27V偏轉(zhuǎn)電壓。
鍵盤接口電路：用8個通用I/O口組成4×4鍵盤。
S3C44B0X所需的其他外圍電路：JTAG接口電路(用于JTAG調(diào)試)、復(fù)位電路和電源電路。
其他功能模塊藍(lán)牙模塊：在本方案中，藍(lán)牙硬件芯片采用愛立信公司的ROK 101008 模塊。家庭網(wǎng)關(guān)采用在uClinux操作系統(tǒng)下安裝BlueZ以配合藍(lán)牙模塊，并基于L2CAP層建
立相關(guān)協(xié)議的方式進(jìn)行開發(fā)。
電話語音控制模塊：采用雙音頻撥號芯片DTMF8870、語音合成芯片ISD1420、鈴流檢測芯片電路以及89C51等來組成電話語音控制模塊。
紅外遙控模塊：系統(tǒng)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)過放大、整形、解調(diào)后，被轉(zhuǎn)換成TTL電平的數(shù)字信號；紅外發(fā)射模塊將剛才學(xué)習(xí)到的紅外原碼進(jìn)行調(diào)制并發(fā)送出去，在這里采用軟件編碼的方法產(chǎn)生調(diào)制信號，因此電路很簡單。
系統(tǒng)的軟件平臺
建立Clinux開發(fā)環(huán)境基于Clinux操作系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境一般是由目標(biāo)系統(tǒng)硬件開發(fā)板(S3C44B0X的開發(fā)板)和宿主PC機(jī)所構(gòu)成。目標(biāo)板所用到的操作系統(tǒng)的內(nèi)核編譯、應(yīng)用程序的開發(fā)和調(diào)試需要通過宿主PC機(jī)來完成。兩者之間一般通過串口、并口或以太網(wǎng)接口來建立連接關(guān)系。首先，要在宿主機(jī)上安裝標(biāo)準(zhǔn)Linux操作系統(tǒng)，之后就可以建立交叉開發(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(jī)上。還要根據(jù)家庭網(wǎng)關(guān)的需要重新配置、編譯內(nèi)核，進(jìn)行?Clinux移植。成功后可看到?Clinux-Samsung/images目錄下有兩個內(nèi)核文件：image.ram和image.rom。將image.rom燒寫入ROM/SRAM/FLASH Bank0對應(yīng)的Flash存儲器中，當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位或上電時，內(nèi)核會自解壓到SDRAM，并開始運(yùn)行。這樣一個嵌入式應(yīng)用開發(fā)平臺就搭建成功了。
硬件驅(qū)動和應(yīng)用程序的開發(fā)
硬件驅(qū)動和應(yīng)用程序的開發(fā)也要在交叉編譯環(huán)境中進(jìn)行，先在PC機(jī)上開發(fā)，然后移植到目標(biāo)機(jī)上進(jìn)行調(diào)試并最終固化到目標(biāo)機(jī)上。本設(shè)計(jì)中需要開發(fā)的硬件驅(qū)動有：以太網(wǎng)卡控制器、串口、LCD驅(qū)動、藍(lán)牙模塊、小鍵盤的驅(qū)動程序等。為Linux內(nèi)核編寫驅(qū)動并不像其他操作系統(tǒng)那么復(fù)雜，只需為相應(yīng)的設(shè)備編寫幾個基本函數(shù)并向VFS注冊即可，一般都是在一個現(xiàn)成的驅(qū)動程序基礎(chǔ)上針對特殊的硬件設(shè)備作相應(yīng)的改動。在嵌入式操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上還要開發(fā)微型GUI,編寫動態(tài)網(wǎng)頁和CGI程序來實(shí)現(xiàn)嵌入式WEB技術(shù)、安全認(rèn)證、及無線通信協(xié)議等。例如：基于Internet的遠(yuǎn)程控制是通過瀏覽家庭網(wǎng)關(guān)中的Web Server的動態(tài)網(wǎng)頁實(shí)現(xiàn)的，遠(yuǎn)程控制程序需要從用戶訪問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(nèi)部協(xié)議組成命令幀，實(shí)現(xiàn)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(yuǎn)程控制程序流圖
結(jié)語
本文討論了一個基于ARM微處理器S3C44B0X及uClinux的無線家庭網(wǎng)關(guān)的軟硬件設(shè)計(jì)。該家庭網(wǎng)關(guān)控制方式多樣，并且能隨時隨地通過瀏覽網(wǎng)頁實(shí)現(xiàn)對家電的遠(yuǎn)程控制。該家庭網(wǎng)關(guān)成本較低，易于升級，便于推廣應(yīng)用。