采用SX52单片机模拟家庭网关的设计

1 引言

信息家电(3C或说是IA)对人们来说已经不再是一个陌生的名字了，它是利用电脑、电信和电子技术与传统家电相结合的创新产品， 是为数字化与网络技术更广泛地深人家庭生活而设计的新型家用电器。要将它们与外部网络(如Internet)连接进行信息交互，利用家庭网关进行集中式管理无疑是一个理想的解决方案。

家庭网关就是这样一种简单的、智能的、标准化的、灵活的整个家庭网络接口单元，它可以从不同的外部网络接收通讯信号，通过家庭网络传递信号给某个消费设备。但是，目前家庭网关在体系结构、功能分配等方面的标准还未确定，对其的研究正在如火如荼进行中。

本文采用SX52嵌入式网络单片机集成式开发系统主模块模拟家庭网关，并利用其外围扩展模块模拟信息家电，从而成功搭建了一个模拟家庭网关和信息家电交互的软硬件平台，这种利用一个单片机集成系统对家庭网关和信息家电进行模拟，为研究信息家电的内部体系结构以及家庭网关和信息家电功能分配提供了实验平台，同时大大节省了资源和费用。

2 关理论研究

2.1信息家电

信息家电是所有能够通过网络系统交互信息的家电产品，也就是说信息家电是将数字技术和网络技术集成在电冰箱、洗衣机等传统家用电器上并以此为基础建立家庭网络环境，信息家电具有以下特点：(1)通过有线或无线方式相连，能相互识别并协同工作与网络化;(2)能够遵循一定的协议，通过家庭网关或直接与外部网络进行信息交互;(3)功能单一[1]集中并且使用简单;(4)具有实时化、数字化与智能化的特点;(5)应用嵌入式操作系统。

根据这些特点，我们将其内部体系结构分为上下两大模块层，上层为软件模块，由上至下为应用层(如服务注册、应用协议解释等)、嵌入式操作系统层(如嵌入式Linux、 WinCE等)、设备驱动层(如液晶显示屏驱动、触摸屏驱动等)，下层为硬件模块，包括核心主板(包括嵌入式处理器芯片如S3C2410等) 、家电硬件及控制层(自带控制模块)、外围芯片(如RTL8019AS、Bluetooth等)。其中核心主板为主控制器，信息家电通过外围芯片与外界进行信息交互，在核心主板的控制下再与家电控制模块进行双向信息交流，从而实现对家电硬件的监控。这里提到的嵌入式操作系统在今后随着信息家电产品功能的增多增强，对其的使用是一种必然趋势，本文在有限资源的单片机上实现模拟系统就没有对其进行讨论。

2.2家庭网关

单个的信息家电也可以具有与Internet直接连接上网的功能，但是借助现有的计算机网络技术，将家庭内各种家电和设备连网，通过家庭网络为人们提供各种丰富、多样化、个性化、方便、舒适、安全和高效的服务，把所有的信息家电连接起来形成一个家庭网络，再把接入Internet的功能移至到家庭网关，由家庭网关承担起与Internet进行信息交互的责任，这不仅会减少信息家电的负载、降低成本，而且对家庭网络化也是一种促进，因为家庭网络内部可以使用不同的协议，从而更具灵活性。因此，实现家庭网络与外部信息的交换需要设计一个理想的家庭网关。

家庭网关应具备的两个主要功能是：(1)作为家庭内部网络和外部网络连接的一种物理接口;(2)使住宅用户可以获得各种家庭服务(包括现有的服务和未来可能出现的服务，譬如经过授权能打开朋友家的影碟机进行影片观看等)的平台。

家庭网关接口的有效的解决方案，当前比较统一的观点是开发一个集中式网关，它将提供一个最有效的桥接外部网络和家庭网络或设备的解决方案。另外，以 PC作为家庭网关，体积过大，环境适应能力差，而且还必须安装两个网络适配器(一个用于连接 Internet，一个用于连接内部网络)，总的费用也比一台专用网关要高。因此，设计专用网关是完全有必要的。鉴于家庭网关的功能特点，其逻辑结构应如图1所示。　

3 件选型

3.1 SX52的特点

如何利用单片机本身有限的资源对信息进行TCP/IP协议处理，使之变成可以在互联网上传输的IP数据包?目前有两种方案：一种是PC网关+专用网，缺点是要增加布线和第三方协议转换软件;另一种是32位MCU+RTOS，弊端是开发难，成本极高。而用软件方法实现网络协议比采用集成网络协议的芯片，具有节省空间、降低成本的优点，更重要的是可以随意配置甚至修改各种协议，且能通过软件升级方式跟随未来的发展。

通过美国Ubicom公司的SX52 微控器进行网络控制就具备这个优势，其主要特点有：(1)速度快，在100MHz频率下能达到100MIPS;(2)现成的网络协议模块供套用，可以通过虚拟外设功能来运行网络协议栈，例如TCP、IP、HTTP以及SMTP等;(3)强大的虚拟外设功能，即通过软件对I/O口进行灵活的配置，CPU执行虚拟软件模块就可以驱动普通的I/O口来模拟外设的功能，比如UART、SPI、IIC和FSK等。采用其成功的网络协议模块和一些适用于小型嵌入式系统的做法构筑现场控制是非常合适的做法。

3.2 SX52主要功能模块

3.2.1 CPU模块(包括在线下载 ISP 电路)

此模块实现开发系统板的系统控制，并实现网络接口控制，主要包含SX52BD。SX52BD为开发系统板主CPU，它是一款RISC指令集的高速8 位单片机，片上带有4K×16 位的Flash存储器和262×8位的RAM。由于采用CPU并行流水线方式及单时钟周期指令，指令执行速度可达100MIPS。这款单片机可以广泛应用在需要网络支持的场合，尤其适合于需要远程监控的应用中。开发系统板所实现的网络协议(IP、ARP、DHCP、UDP、TCP、HTTP、SMTP)就是通过此芯片实现的。

3.2.2 网络接口模块

此模块实现了两种网络接口方式： 以太网接口和调制解调器接口, 主要包含RTL8019AS、以太网收发滤波器芯片、MAX232等。

3.2.3 用户试验区模块