本文以ARM核的32位嵌入式微處理器作為硬件平臺(tái),，結(jié)合無線通信技術(shù)，通過移植嵌入式操作系統(tǒng)mClinux,，并在其上開發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序,、應(yīng)用程序和嵌入式Web服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)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(chǔ)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(tái),，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(shí)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(tái)，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(tái)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(tái)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(chǔ)器接口電路：Flash芯片用來存儲(chǔ)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(chǔ)器系統(tǒng),，其存儲(chǔ)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(chǔ)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(dòng)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(shí),，用戶堆棧、運(yùn)行數(shù)據(jù)也都會(huì)放在SDRAM中,。S3C44B0X芯片提供的8K緩存遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求,?？紤]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(gè)Bank 組成,，存儲(chǔ)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(chǔ)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(hào)的定義也很明確，因此RTL8201與S3C44B0X的連接比較簡單,，在連接時(shí)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(hào)的不同以及網(wǎng)絡(luò)沖擊信號(hào)的存在，兩者之間需要隔離及電平信號(hào)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(gè)異步串口，因此需要對(duì)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(hào)與RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)所定義的高,、低電平信號(hào)不同,，兩者間要進(jìn)行通信必須經(jīng)過信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換。在這里采用MAX202將串口數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL電平,，再通過ST16C554輸出中斷請(qǐng)求,。4個(gè)串口的中斷請(qǐng)求進(jìn)行或運(yùn)算,，產(chǎn)生IRQ信號(hào)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(gè)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(chǔ)器,。AT24C01提供128字節(jié)的EEPROM存儲(chǔ)空間，可用于存放少量在系統(tǒng)掉電時(shí)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(gè)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Clinux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(hào)芯片DTMF8870,、語音合成芯片ISD1420,、鈴流檢測(cè)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(hào)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(hào);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(hào),，因此電路很簡單。
系統(tǒng)的軟件平臺(tái)
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mClinux移植,。成功后可看到mClinux-Samsung/images目錄下有兩個(gè)內(nèi)核文件：image.ram和image.rom,。將image.rom燒寫入ROM/SRAM/FLASH Bank0對(duì)應(yīng)的Flash存儲(chǔ)器中，當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位或上電時(shí),，內(nèi)核會(huì)自解壓到SDRAM,，并開始運(yùn)行。這樣一個(gè)嵌入式應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)就搭建成功了,。
硬件驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序的開發(fā)
硬件驅(qū)動(dòng)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(dòng)有：以太網(wǎng)卡控制器、串口,、LCD驅(qū)動(dòng),、藍(lán)牙模塊,、小鍵盤的驅(qū)動(dòng)程序等,。為Linux內(nèi)核編寫驅(qū)動(dòng)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(gè)基本函數(shù)并向VFS注冊(cè)即可,，一般都是在一個(gè)現(xiàn)成的驅(qū)動(dòng)程序基礎(chǔ)上針對(duì)特殊的硬件設(shè)備作相應(yīng)的改動(dòng),。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(dòng)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(dòng)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(gè)基于ARM微處理器S3C44B0X及mClinux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(shí)隨地通過瀏覽網(wǎng)頁實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的遠(yuǎn)程控制。該家庭網(wǎng)關(guān)成本較低,，易于升級(jí),，便于推廣應(yīng)用,。