摘 要： 提出了一種基于XScale PXA270處理器和Linux操作系統(tǒng)的嵌入式多功能信息交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu),，由嵌入式信息交互終端和PC服務(wù)器組成,。系統(tǒng)通過對Liod開發(fā)板進(jìn)行硬、軟件擴(kuò)展,，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)短信交互,、環(huán)境參數(shù)采集、安防監(jiān)控報(bào)警和無線射頻識別等信息交互功能,。
關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng),；信息交互；XScale PXA270,；Linux
傳統(tǒng)的信息交互系統(tǒng)大多基于PC-Internet平臺,，采用Web方式來完成信息交互的功能。但由于PC機(jī)體積較大,、成本偏高,，因此采用PC機(jī)作為信息交互系統(tǒng)的終端并不能很好地滿足便攜性和性價比的要求。而嵌入式系統(tǒng)與普通的PC機(jī)系統(tǒng)相比,，具有體積小,、成本低、軟硬件均可根據(jù)不同的應(yīng)用進(jìn)行定制等優(yōu)點(diǎn),。隨著嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展,，將嵌入式設(shè)備應(yīng)用于信息交互系統(tǒng)的終端已成為一種趨勢。本文提出了一種基于嵌入式信息終端的信息交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,，并在此方案基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了1個多功能信息交互系統(tǒng),。
1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用Client-Server結(jié)構(gòu)，包含兩大功能模塊：嵌入式信息終端模塊和PC服務(wù)器模塊,。信息終端以基于XScale PXA270處理器的Liod平臺為基礎(chǔ),，移植了Linux操作系統(tǒng)和Qtopia圖形界面；PC服務(wù)器使用Windows操作系統(tǒng),，兩者通過802.11無線局域網(wǎng)連接,。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
其中,，嵌入式信息終端主要作為信息交互系統(tǒng)的信息發(fā)布和接收終端使用,。用戶可以通過嵌入式瀏覽器瀏覽以Web形式發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)上的信息資源，同時也能通過觸摸屏來獲取更多需要的信息,。此外,，本系統(tǒng)還根據(jù)不同領(lǐng)域用戶的需要設(shè)計(jì)并擴(kuò)展了外接無線局域網(wǎng)卡、GSM通信模塊,、VGA視頻顯示模塊,、環(huán)境參數(shù)采集模塊、安防監(jiān)控報(bào)警模塊和無線射頻識別模塊。PC服務(wù)器作為信息交互系統(tǒng)的后臺管理模塊主要負(fù)責(zé)對信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,。PC服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫存儲著供用戶交互的信息,，同時也管理著信息終端上由用戶發(fā)布的信息，通過設(shè)計(jì)服務(wù)程序,，為信息終端提供信息發(fā)布服務(wù)和信息管理服務(wù),。
2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)
嵌入式信息終端硬件主要由基于XScale PXA270的Liod開發(fā)板和各硬件擴(kuò)展模塊組成。
2.1 Liod開發(fā)板特點(diǎn)
Liod開發(fā)板以Intel XScale PXA270微處理器為核心,，其主頻高達(dá)520 MHz,，支持Intel Wireless MMX 及Speed Step技術(shù)，核心板加底板設(shè)計(jì),，提供了完善的功能接口,，包括：IDE接口(傳輸速率>30 Mb/s)、32 MB Nand Flash,、64 MB SDRAM,、VGA out接口(但未焊接VGA芯片)、鋰電池接口,、圖形加速器2 700 G支持等,。同時提供了160×2 pin核心板擴(kuò)展接口及110 pin底板擴(kuò)展接口，便于在Liod平臺基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā),。
2.2 GSM擴(kuò)展模塊
為了實(shí)現(xiàn)用戶手機(jī)與信息終端進(jìn)行信息交互，系統(tǒng)需要在Liod平臺的串口上擴(kuò)展GSM通信模塊來實(shí)現(xiàn)手機(jī)短信方式的信息交互,。目前國內(nèi)使用較多的GSM模塊有Falcom的A2D系列,、西門子的TC35系列、愛立信的DM 10/DM 20系列等,，其中西門子的TC35系列性價比高,、穩(wěn)定性好，故選用西門子TC35i進(jìn)行GSM擴(kuò)展模塊設(shè)計(jì),。
TC35i共有40個引腳,，通過ZIF連接器分別與電源電路、啟動與關(guān)機(jī)電路,、數(shù)據(jù)通信電路,、語音通信電路、SIM卡電路,、指示燈電路等連接,。在本系統(tǒng)中為減小體積，直接采用主板供電的方式,，在1-10腳增設(shè)了穩(wěn)壓整流電路,，省去了電池和充電電路。啟動電路則由自動和手動上電復(fù)位電路組成。數(shù)據(jù)通信電路主要完成短信收發(fā),、與平臺通信,、軟件流控制等功能，其數(shù)據(jù)接口采用串行異步收發(fā),，符合RS-232接口電路標(biāo)準(zhǔn),，工作在CMOS電平(2.65 V)下。本模塊以MAXIM公司的MAX232CPE芯片為核心,，實(shí)現(xiàn)了電平轉(zhuǎn)換及串口通信功能,，并注意了它的電磁兼容(EMC)設(shè)計(jì)。其電路原理框圖如圖2所示,。
2.3 綜合信息采集模塊
本系統(tǒng)采用C8051F007單片機(jī)進(jìn)行該模塊的設(shè)計(jì),。C8051F007有8個I/O口，均容許5 V電壓,，并可通過配置交叉開關(guān)得到UART,，I2C/SMBus、SPI等總線,，每種串行總線都完全用硬件實(shí)現(xiàn),，都能向CIP-51產(chǎn)生中斷，因此很少需要CPU的干預(yù),。該模塊可擴(kuò)展多個煙感探頭和雙鑒探頭,，可將傳感器輸出的開關(guān)信號作上拉和保護(hù)處理送入I/O。由于該模塊要與Liod平臺和無線射頻識別模塊進(jìn)行通信,，因此還使用了UART串口和I2C/SMBus總線,。通過對交叉開關(guān)進(jìn)行配置，充分利用了所有的端口,。C8051F007有4路12位的ADC,，模塊擴(kuò)展的溫濕度傳感器所輸出的模擬信號經(jīng)信號調(diào)理和保護(hù)電路后輸入其端口。本模塊擴(kuò)展了溫濕度傳感器,、煙感探頭,、雙鑒探頭和無線射頻識別模塊。其電路原理框圖如圖3所示,。
2.4 無線射頻識別模塊
在設(shè)計(jì)無線射頻識別模塊時,，需要考慮該模塊的工作頻率、作用距離,、安全要求和存儲容量,。符合ISO14443協(xié)議的射頻系統(tǒng)是應(yīng)用比較多的一種。CRX14就是符合ISO14443標(biāo)準(zhǔn)的專用于無線射頻技術(shù)的低成本,、單片射頻處理芯片,。它發(fā)送的數(shù)據(jù)用ASK方式調(diào)制,，接收到的數(shù)據(jù)則是將終端負(fù)載變量信號解調(diào)所得。CRX14與終端間的數(shù)據(jù)傳輸速率為106 kb/s,。本模塊即采用CRX14實(shí)現(xiàn)了1個較為完整的低成本射頻讀卡器方案,。
從CRX14的RFOUT端發(fā)出的信號，經(jīng)過以PZT2222為核心的高頻放大電路,，再通過精心設(shè)計(jì)的阻容匹配網(wǎng)絡(luò),，傳到射頻天線發(fā)射到有效區(qū)域。發(fā)射出去的射頻信號,，經(jīng)含有射頻標(biāo)簽的卡片后返回,，同樣被天線接收，并送至接收電路的檢波電路,，再經(jīng)過滯環(huán)比較器,，最后送入RFIN端口，同時將數(shù)據(jù)存入內(nèi)部寄存器,，供I2C總線讀取,。其硬件設(shè)計(jì)難點(diǎn)是天線的設(shè)計(jì)和調(diào)試，及阻容匹配網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算,。PCB設(shè)計(jì)上也要十分注意EMC設(shè)計(jì),。
3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)
3.1 系統(tǒng)軟件選型
為了便于系統(tǒng)管理員對整個系統(tǒng)進(jìn)行快捷的信息管理，系統(tǒng)服務(wù)器端硬件選擇普通的PC機(jī),，使用Windows操作系統(tǒng),，并選用SQL Server 2000作為整個服務(wù)器端的后臺數(shù)據(jù)庫。
信息終端的軟件主要包括嵌入式操作系統(tǒng),、圖形界面和嵌入式數(shù)據(jù)庫,。嵌入式操作系統(tǒng)是一種支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動軟件,、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口,、通信協(xié)議等,。嵌入式操作系統(tǒng)占用空間小，其特點(diǎn)主要體現(xiàn)在可裁剪性,、實(shí)時性和可靠性等方面,。本系統(tǒng)信息終端選用Linux操作系統(tǒng)、Qtopia圖形界面和SQLite嵌入式數(shù)據(jù)庫,。
3.2 服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì)
服務(wù)器端軟件開發(fā)采用Visual C#.net 2005,，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2000。服務(wù)器端軟件主要是為Web信息發(fā)布頁面提供顯示數(shù)據(jù),，并對信息進(jìn)行管理,。圍繞服務(wù)器端的主要功能,，還需要具體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)以下2個輔助程序模塊：
(1)SQL Server 2000數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)
標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫SQL Server 2000安裝在PC服務(wù)器上，為信息瀏覽時的網(wǎng)站頁面提供顯示數(shù)據(jù),，并接受數(shù)據(jù)庫管理客戶端對數(shù)據(jù)的輸入,、修改、刪除等管理,。
(2)數(shù)據(jù)庫管理客戶端
數(shù)據(jù)庫管理客戶端為系統(tǒng)管理員提供了界面友好的數(shù)據(jù)庫管理界面,，協(xié)助管理員管理SQL Server 2000和擴(kuò)展的嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite，本設(shè)計(jì)編寫了數(shù)據(jù)庫管理客戶端應(yīng)用程序,，系統(tǒng)管理員可通過管理客戶端管理數(shù)據(jù),，同時為信息發(fā)布的Web頁面提供顯示數(shù)據(jù)。該程序的實(shí)現(xiàn)主要包括3個方面：數(shù)據(jù)的輸入,、數(shù)據(jù)庫操作的實(shí)現(xiàn),、2個數(shù)據(jù)庫的協(xié)調(diào)同步。
3.3 信息終端軟件設(shè)計(jì)
信息終端選用Linux操作系統(tǒng),，其應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)主要圍繞GSM短信交互功能展開,，同時實(shí)現(xiàn)了各擴(kuò)展功能參數(shù)在終端網(wǎng)頁上特定區(qū)域內(nèi)顯示的功能。其主要程序模塊分別為：
(1)擴(kuò)展SQLite數(shù)據(jù)庫
本系統(tǒng)將輕型開源數(shù)據(jù)庫SQLite 3.5.5移植到Liod開發(fā)板上,，并為其設(shè)定網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫操作協(xié)議,，將SQLite擴(kuò)展成為單連接的異步通訊網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。本數(shù)據(jù)庫存儲的數(shù)據(jù)用于短信交互,，它為向系統(tǒng)發(fā)送短信查詢詳細(xì)瀏覽信息的用戶提供數(shù)據(jù),，并接受數(shù)據(jù)庫管理客戶端對數(shù)據(jù)的管理。
(2)終端信息瀏覽模塊
該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在信息終端上顯示PC服務(wù)器上發(fā)布的Web頁面,。在Liod平臺上移植Linux操作系統(tǒng)和Qtopia圖形界面后,，使用Konqueror瀏覽器瀏覽服務(wù)器上發(fā)布的Web頁面。Linux的移植主要包括：BootLoader,、Linux內(nèi)核和嵌入式文件系統(tǒng),。Linux內(nèi)核使用Linux-2.4.21，文件系統(tǒng)包括基本文件系統(tǒng)和Qtopia,。
(3)手機(jī)短信交互模塊
該模塊主要實(shí)現(xiàn)用戶通過手機(jī)短信方式與信息終端進(jìn)行信息交互,。系統(tǒng)通過TC35i實(shí)現(xiàn)短信收發(fā)后，對用戶短信進(jìn)行解析,，并查詢SQLite數(shù)據(jù)庫中與用戶短信匹配的信息,，再以短信的形式回復(fù)用戶。也可將短信上傳的信息發(fā)送至PC數(shù)據(jù)庫,，更新信息發(fā)布頁面,。
3.4 系統(tǒng)軟件流程
系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。
本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個嵌入式多功能信息交互系統(tǒng),。在實(shí)現(xiàn)了動態(tài)信息發(fā)布和信息交互這兩個主要功能的基礎(chǔ)上,，根據(jù)該系統(tǒng)應(yīng)用的不同場合擴(kuò)展了環(huán)境參數(shù)采集,、安防監(jiān)控報(bào)警、無線射頻識別和電視信號接收等功能,，為不同領(lǐng)域用戶的使用提供了方便,。
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