基于ARM-UClinux的无线家庭网关设计

　　随着网络技术和信息家电的飞速发展，越来越多的家庭要求建立家庭网络。家庭网关是整个家庭网络的核心，它主要实现Internet接入、远程控制，以及连接家庭内部异构子网的功能。基于PC机方案的家庭网关不仅成本较高，而且要求计算机一直处于开机并可进行通信的状态，还不能在计算机上运行干扰通信任务的软件和硬件。所以，为适应普通用户，家庭网关应设计为基于廉价的非PC机设备。但是，若采用8位、16位单片机，由于速度慢且资源有限，实现TCP/IP协议比较困难，所以也不太理想。

　　因此本文以ARM核的32位嵌入式微处理器作为硬件平台，结合无线通信技术，通过移植嵌入式操作系统?Clinux，并在其上开发相应的驱动程序、应用程序和嵌入式Web服务器，实现了一个方便、实用的家庭网关。

图1 家庭网关系统结构图

　　












图2 家庭网关基本硬件平台框图

图3 Internet 远程控制程序流图

系统的硬件设计

　　系统结构及工作原理

　　家庭网关的系统结构如图1所示，它以三星公司的32位RISC处理器S3C44B0X为核心，通过外扩存储器（Flash/SDRAM）、蓝牙模块、液晶显示屏、小键盘、以太网接口模块、电话语音控制模块和红外收发模块等来构建硬件平台，并可实现多种控制方式。

　　1） 在本地用键盘及显示器进行控制：系统设有16按键和一块128×32点阵的液晶显示器，便于用户在本地进行状态的设置和查询，如数据查询、电器控制等。

　　2） 在本地的红外遥控：通过具有自学习功能的红外遥控模块，能实现室内家电的红外遥控。

　　3） 远程的电话语音控制：这是一种基于公共电话交换网（PSTN）的电话远程控制，用于电话的指令控制，如远程控制家电、电话报警等。

　　4） 基于Internet的远程控制：采用浏览器端/服务器端结构（B/S结构），用户可直接用Windows自带的IE浏览器作为客户端程序，以达到随时随地进行远程控制的目的。

　　无线通信技术是实现家庭网络最理想的技术，它可以省去在家庭内部重新布线的麻烦。在本家庭网关的设计中，采用蓝牙模块作为无线通信模块与底层的各功能模块相互通讯。

　　硬件电路组成

　　本系统的硬件设计主要包括以S3C44B0X嵌入式微处理器为核心所搭建的基本硬件平台，以及蓝牙通信、电话语音控制和红外遥控等模块的硬件设计。

　　以S3C44B0X为核心的

　　基本硬件平台

　　基本系统的硬件框图如图2所示，各部分的功能与接口电路分析如下。

　　ARM微处理器S3C44B0X：S3C44B0X是三星公司生产的ARM7内核的SoC，通过在ARM7TDMI内容基础上扩展一系列完整的通用外围器件，令其很适合手持式设备和普通嵌入式的应用。

　　Flash 存储器接口电路：Flash芯片用来存储家庭网关中的嵌入式操作系统、家庭网络服务器、CGI网关应用程序以及支持各种服务所需的文件系统。在系统中采用一片HY29LV160构建16位的Flash存储器系统，其存储容量为2MB。系统上电或复位后从此获取指令并开始执行，因此将Flash存储器配置到 ROM/SRAM/FLASH Bank0。

　　SDRAM接口电路：嵌入式操作系统的存在需要有一定量的动态RAM，解压缩后的操作系统将从 Flash搬移至SDRAM，驻留内存;同时，用户堆栈、运行数据也都会放在SDRAM中。S3C44B0X芯片提供的8K缓存远远不能满足要求。考虑到实际应用的需求，设计中选择了三星的K4S281632D，它的数据宽度是16 位，由4 个Bank 组成，存储容量为16 MB。S3C44B0X的Bank6和Bank7 支持SDRAM，因此可以方便连接。在总线宽度控制寄存器BWSCON 中设置Bank6 的数据宽度为16 位，在Bank6 控制寄存器BANKCON6中设置MT = 0x3， Trcd= 0x0，SCAN = 0x01，在存储容量寄存器BANKSIZE中设置BK76MAP = 0x110 即可。

　　10/100M以太网接口电路：S3C44B0X内部已包含了以太网MAC控制，但并未提供物理层接口，因此，需外接一片物理层芯片以提供以太网的接入通道。在本设计中选用的是RTL8201。由于 S3C44B0X片内已有带MII接口的MAC控制器，而RTL8201也提供了MII接口，各种信号的定义也很明确，因此RTL8201与 S3C44B0X的连接比较简单，在连接时只需将两块芯片的相应引脚互连即可。值得注意的是，使用CMOS工艺的RTL8201不能直接与RJ45接口相连，由于电平信号的不同以及网络冲击信号的存在，两者之间需要隔离及电平信号转换的元件，本设计中选用了网络变压器HR61H58L。

　　串行接口电路：为完成和家庭内部网络的蓝牙通信模块、红外发射与接收模块以及电话语音控制模块的通信，家庭网关需要有异步串行通信接口，由于S3C44B0X只有两个异步串口，因此需要对串口进行扩展。本设计中选用一片ST16C554 芯片进行串口扩展。由于S3C44B0X系统的LVTTL电路所定义的高、低电平信号与RS-232-C标准所定义的高、低电平信号不同，两者间要进行通信必须经过信号电平的转换。在这里采用MAX202将串口数据信号转换成TTL电平，再通过ST16C554输出中断请求。4个串口的中断请求进行或运算，产生IRQ信号INTREQ，经CPLD再与CPU的终端控制器相连。

　　IIC接口电路：S3C44B0X内含一个IIC总线主控器，可方便地与各种带有IIC接口的器件相连。在该系统中，外扩一片AT24C01作为IIC存储器。AT24C01提供128字节的EEPROM存储空间，可用于存放少量在系统掉电时需要保存的数据，比如家庭网关的参数设置和用户身份验证码等。

　　LCD显示模块：该模块可采用夏普公司生产的 LM057QC1T01，它是图形点阵256色STN液晶模块，分辨率为320×240。由于S3C44B0X和LM057QC1T01都具有很强的通用性，因此易于连接，但需要在控制器和LCD接口之间加装能实现电压偏转功能的电路，来实现输出LCD显示所需的27V偏转电压。

　　键盘接口电路：用8个通用I/O口组成4×4键盘。

　　S3C44B0X所需的其他外围电路：JTAG接口电路（用于JTAG调试）、复位电路和电源电路。

　　其他功能模块

　　蓝牙模块：在本方案中，蓝牙硬件芯片采用爱立信公司的ROK 101008 模块。家庭网关采用在?Clinux操作系统下安装BlueZ以配合蓝牙模块，并基于L2CAP层建立相关协议的方式进行开发。

　　电话语音控制模块：采用双音频拨号芯片DTMF8870、语音合成芯片ISD1420、铃流检测芯片电路以及89C51等来组成电话语音控制模块。

　　红外遥控模块：系统中增加了红外接收模块和红外发射模块。红外接收模块选用BA5302，红外信号从其顶部输入，经过放大、整形、解调后，被转换成TTL电平的数字信号；红外发射模块将刚才学习到的红外原码进行调制并发送出去，在这里采用软件编码的方法产生调制信号，因此电路很简单。

　　系统的软件平台

　　建立?Clinux开发环境

　　基于?Clinux操作系统的应用开发环境一般是由目标系统硬件开发板（S3C44B0X的开发板）和宿主PC机所构成。目标板所用到的操作系统的内核编译、应用程序的开发和调试需要通过宿主PC机来完成。两者之间一般通过串口、并口或以太网接口来建立连接关系。

　　首先，要在宿主机上安装标准Linux操作系统，之后就可以建立交叉开发环境。从网上下载工具链，并将交叉编译器安装到宿主机上。还要根据家庭网关的需要重新配置、编译内核，进行?Clinux移植。成功后可看到?Clinux-Samsung/images目录下有两个内核文件：image.ram和 image.rom。将image.rom烧写入ROM/SRAM/FLASH Bank0对应的Flash存储器中，当系统复位或上电时，内核会自解压到SDRAM，并开始运行。这样一个嵌入式应用开发平台就搭建成功了。

　　硬件驱动和应用程序的开发

　　硬件驱动和应用程序