基于ARM－μClinux的無線家庭網(wǎng)關設計

引言

隨著網(wǎng)絡技術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。家庭網(wǎng)關是整個家庭網(wǎng)絡的核心，它主要實現(xiàn)internet接入、遠程控制，以及連接家庭內(nèi)部的異構(gòu)子網(wǎng)的功能?；趐c機方案的家庭網(wǎng)關不僅成本較高，而且要求計算機一直處于開關并可進行通信的狀態(tài)，還不能在計算機上運行干擾通信任務的軟件和硬件。所以，為適應普通用戶，家庭網(wǎng)關應設計為基于廉價的非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，通過移植嵌入式操作系統(tǒng)μclinux，并在其上開發(fā)相應的驅(qū)動程序，應用程序和嵌入式web服務器，實現(xiàn)了一個方便、實用的家庭網(wǎng)關。

系統(tǒng)的硬件設計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

家庭網(wǎng)關的系統(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，通過外擴存儲器（flash/sdram），藍牙模塊、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，并可實現(xiàn)多種控制方式。

1）在本地用鍵盤及顯示器進行控制：系統(tǒng)設有16按鍵和一塊128×32點陣的液晶顯示器，便于用戶在本地進行狀態(tài)的設置和查詢，如數(shù)據(jù)查詢、電器控制等。

2）在本地的紅外遙控：通過具有自學習功能的紅外遙控模塊，能實現(xiàn)室內(nèi)家電的紅外遙控。

3）遠程的電話語音控制：這是一種基于公共電話交換網(wǎng)（pstn）的電話遠程控制，用于電話的指令控制，如遠程控制家電，電話報警等。

4）基于internet的遠程控制：采用瀏覽器端/服務器端結(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，以達到隨時隨地進行遠程控制的目的。

無線通信技術是實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡最理想的技術，它可以省去在家庭內(nèi)部重新布線的麻煩。在本家庭網(wǎng)關的設計中，采用藍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、電話語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(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。

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芯片用來存儲家庭網(wǎng)關中的嵌入式操作系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡服務器、cgi網(wǎng)絡應用程序以及支持各種服務所需的文件系統(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、運行數(shù)據(jù)也都會放在sdram中。s3c44b0x芯片提供的8k緩存遠遠不能滿足要求?？紤]到實際應用的需求，設計中選擇了三星的k4s281632d，它的數(shù)據(jù)寬度是16位，由4個bank組成，存儲容量為16mb。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中設置bank6的數(shù)據(jù)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(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。在本設計中選用的是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，本設計中選用了網(wǎng)絡變壓器hr61h58l。

串行接口電路：為完成和家庭內(nèi)部網(wǎng)絡的藍牙通信模塊、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，因此需要對串口進行擴展。本設計中選用一片st16c554芯片進行串口擴展。由于s3c44b0x系統(tǒng)的lvttl電路所定義的高、低電平信號與rs－232－c標準所定義的高、低電平信號不同、兩者間要進行通信必須經(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(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)關的參數(shù)設置和用戶身份驗證碼等。

lcd顯示模塊：該模塊可采用夏普公司生產(chǎn)的lm057qc1t01，它是圖形點陣256色stn液晶模塊，分頻率為320×240。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接口之間加裝能實現(xiàn)電壓偏轉(zhuǎn)功能的電路，來實現(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立信公司的rok101008模塊。家庭網(wǎng)關采用在μclinux操作系統(tǒng)下安裝bluez以配合藍牙模塊，并基于l2cap層建立相關協(xié)議的方式進行開發(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)濟放大、整形、解調(diào)后，被轉(zhuǎn)換成ttl電平的數(shù)字信號；紅外發(fā)射模塊將剛才學習到的紅外原碼進行調(diào)制并發(fā)送出去，去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μclinux開發(fā)環(huán)境

基于μclinux操作系統(tǒng)的應用開發(fā)環(huán)境一般是由目標系統(tǒng)硬件開發(fā)板（s3c44b0x的開發(fā)板）和宿主pc機所構(gòu)成。目標板所用到的操作系統(tǒng)的內(nèi)核編譯、應用程序的開發(fā)和調(diào)試需要通過宿主pc機來完成。兩者之間一般通過串口、并口或以太網(wǎng)接口來建立連接關系。

首先，要在宿主機上安裝標準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上。還要根據(jù)家庭網(wǎng)關的需要重新配置、編譯內(nèi)核、進行μclinux移植。成功后可看到μclinux－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對應的flash存儲器中，當系統(tǒng)復位或上電時，內(nèi)核會自解壓到sdram，并開始運行。這樣一個嵌入式應用開發(fā)平臺就搭建成功了。

硬件驅(qū)動和應用程序的開發(fā)

硬件驅(qū)動和應用程序的開發(fā)也要在交叉編譯環(huán)境中進行，先在pc機上開發(fā)，然后移植到目標機上進行調(diào)試并最終固化到目標機上。本設計中需要開發(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)那么復雜，只需為相應的設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)動程序基礎上針對特殊的硬件設備作相應的改動。在嵌入式操作系統(tǒng)的基礎上還要開發(fā)微型gui，編寫動態(tài)網(wǎng)頁和cgi程序來實現(xiàn)嵌入式web技術、安全認證、及無線通信協(xié)議等。例如：基于internet的遠程控制是通過瀏覽家庭網(wǎng)關中的web server的動態(tài)網(wǎng)頁實現(xiàn)的，遠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)議組成令名幀，實現(xiàn)控制的關鍵是cgi程序的編制，其流程如圖3所示。

結(jié)語

本文討論了一個基于arm微處理器s3c44b0x及μclinux的無線家庭網(wǎng)關的軟硬件設計。該家庭網(wǎng)關控制方式多樣，并且能隨時隨地通過瀏覽網(wǎng)頁實現(xiàn)對家電的遠程控制。該家庭網(wǎng)頁成本較低，易于升級，便于推廣應用。