基于ARM－μClinux的無(wú)線家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

引言

隨著網(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(xiàn)internet接入、遠(yuǎn)程控制，以及連接家庭內(nèi)部的異構(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(kāi)關(guān)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(tái)，結(jié)合無(wú)線通信技術(shù)，通過(guò)移植嵌入式操作系統(tǒng)μclinux，并在其上開(kāi)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(guò)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(yǔ)音控制模塊和紅外收發(fā)模塊等來(lái)構(gòu)建硬件平臺(tái)，并可實(shí)現(xiàn)多種控制方式。

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(guò)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(yǔ)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(wú)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(wú)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(yǔ)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。

arm微處理器s3c44b0x：s3c44b0x是三星公司生產(chǎn)的arm7內(nèi)核的soc，通過(guò)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(lái)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)絡(luò)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(kāi)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。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(gè)bank組成，存儲(chǔ)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(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(jiǎn)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(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(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(guò)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(guò)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，分頻率為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(lái)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(ài)立信公司的rok101008模塊。家庭網(wǎng)關(guān)采用在μclinux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(kāi)發(fā)。

電話語(yǔ)音控制模塊：采用雙音頻撥號(hào)芯片dtmf8870、語(yǔ)音合成芯片isd1420、鈴流檢測(cè)芯片電路以及89c51等來(lái)組成電話語(yǔ)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)濟(jì)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，去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(jiǎn)單。

系統(tǒng)的軟件平臺(tái)

建立μclinux開(kāi)發(fā)環(huán)境

基于μclinux操作系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境一般是由目標(biāo)系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)板（s3c44b0x的開(kāi)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(kāi)發(fā)和調(diào)試需要通過(guò)宿主pc機(jī)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(jī)上安裝標(biāo)準(zhǔn)linux操作系統(tǒng)，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(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μclinux移植。成功后可看到μclinux－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(kāi)始運(yùn)行。這樣一個(gè)嵌入式應(yīng)用開(kāi)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(kāi)發(fā)

硬件驅(qū)動(dòng)和應(yīng)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(jī)上開(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)微型gui，編寫動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)和cgi程序來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式web技術(shù)、安全認(rèn)證、及無(wú)線通信協(xié)議等。例如：基于internet的遠(yuǎn)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(xiàn)的，遠(yuǎn)程控制程序需要從用戶訪問(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(nèi)部協(xié)議組成令名幀，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。

結(jié)語(yǔ)

本文討論了一個(gè)基于arm微處理器s3c44b0x及μclinux的無(wú)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(guò)瀏覽網(wǎng)頁(yè)實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的遠(yuǎn)程控制。該家庭網(wǎng)頁(yè)成本較低，易于升級(jí)，便于推廣應(yīng)用。