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基于DSP技术在家庭网关中的设计与实现

刘宇刚| 智能家居,家庭网关,DSP,嵌入式| 2010-11-24
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【中心议题】

  • 简要概述了DSP技术和家庭网关
  • 提出基于DSP技术的家庭网关系统

【解决方案】

  • 采用TMS320VC5402 DSP和以态网控制器RTL8019AS
  • DSP上实现简化的TCP/IP协议栈,通过网络芯片RTL8019AS和模拟以态网的PC机之间通信

0引言

DSP技术是利用专用或通用数字信号处理芯片,通过数字计算的方法对信号进行处理,DSP技术具有精确、灵活、可靠性好、体积小、易于大规模集成等众多优点。在计算机与现代电子技术飞速发展的基础上,在DSP技术与DSP芯片的相互推动下,DSP芯片从1982年某公司首次推出到现在,其性能得到了极大的提高,DSP技术取得了突飞猛进的发展,DSP的应用领域取得了不断的拓展。DSP芯片已经走下高贵的舞台,深入到工作与生活中。

DSP技术已渗透到计算机外设、通信、工业控制、航空航天、精密仪器、家用电器等领域。与此同时,通讯技术、网络技术、数字信息技术广泛地深入到家庭生活中,家庭设备具有智能化并具有网络信息终端的功能,可主动的发布、获取和处理相关信息,从而使传统家庭信息化与现代信息社会“信息高速公路”通信网络紧密相连,数字处理和网络技术更广泛的深入家庭生活,因而出现了新型家庭智能化产品蜒信息家电。家庭网络的关键设备是家庭网关,它是家庭信息网络的核心部分,通过它组建家庭信息网络、负责对家庭设备的管理和控制。作为整个家庭信息网络的核心控制服务器和内外网之间的连接点,其完成内外网络之间各种不同通信协议信号的转换、沟通内外信息交换,完成控制服务代理的功能。

家庭中的信息家电(如数字电视、游戏机、PDA)可以通过它实现设备间通信,并通过同一个Internet高速管道实现集成的语音、数据和视频服务,同时,它又是家庭网络的设备控制中心,通过它能够完成对各种信息家电设备的控制功能。

随着智能家居自动化技术的发展,以及人们对智能家居环境提出越来越高的要求,要求智能家居具有感觉、分析判断、决策和做出反应的能力;具有交流和信息处理的能力。具体体现在对温度、消防、保安、供水、照明等系统的控制上;对语音、数据、图像信息进行采集、处理、传递等。由于DSP独特的系统体系结构,硬件密集性方案和灵活的处理指令,还有能够快速输入输出数据,高速处理各种复杂算法,利于集成等优点。所以它将在家庭网关中越来越得到广泛的应用。

 

1家庭网关系统结构组成

家庭网络是一种复杂的网络模式,其特征是:终端类型千差万别,完成功能各不相同,接入方式多样。更重要的是家庭网络应该是一个动态的网络,对于设备的加入和移走,系统应该能够自动地完成检测并自动重设系统。另外,家庭中设备摆放的位置可能会发生变化,这对于需要综合布线的系统来说将会遇到很大的困难,但如果有蓝牙技术支持,在通信有效范围内的位置移动就不会影响整个网络的结构。

家庭网关是家庭网络的核心,是整个家居设备控制和家庭信息控制的核心。智能家居中的家庭网关是基于蓝牙的模块设计。鉴于单微控制器模式或无主机模式)可实现的功能较单一,且开发周期相对较长,本设计没采用这种模式,而采用了蓝牙主机—主机控制器模式。因此,该家庭网关的硬件组成应包括:蓝牙通信模块、振铃检测电路、自动摘挂机电路、键盘、显示接口电路、外部存储器模块等。家庭网关总体组成如图1所示。

其中主控制器(D S P)用了T ITMS320VC5402DSP,它是整个家庭网络蓝牙网关硬件设计的核心部分,要完成信息无线网络中各种不同通信协议之间的转换和信息共享,以及同外部Internet之间的数据交换功能,同时还负责家庭网络中设备的管理和控制。

2主控制器与以态网接口电路设计

根据图1,本文重点论讨主控制器(DSP)和以太网接口。

数字信号处理器(DSP)正加速进入家庭网络领域,如何将以DSP技术的家庭网关与以态网相连,实现信息家电之间或信息家电与计算机间的网络互连就显得重要。本文给出TMS320VC5402 DSP的智能家居产品通过以态网控制器RTL8019AS与以态网互连的接口方法,如图2所示。

 

为了简化DSP网络接口的软、硬件设计,不使用远程自举加载功能,并且选用跳线接口模式。用VC5402的扩展I/O口代替跳线器RTL8019AS进行初始化配置,这样既省去了93C46,又避免了跳线器更改资源配置的麻烦。RTL8019AS的总线接口是与ISA总线兼容,虽不能与VC5402的外部总线直接接口,但是只要进行一简单的逻辑变换就可以了。

另外,VC5402的总线电平是3.3V,而RTL8019AS的接口电路是5V,二者接口时使用电平转换器。

1)地址总线RTL8019AS20根地址线主要是为了读/写自举ROM,对于I/O端口寻址来说只要16根地址线就足够了,因此将DSP的地址总线A0A15RTL8019AS的地址总线SA0SA19全部接地。由于D S P系统无D M A控制器,因此将RTL8019ASAEN引脚接地。

2)数据总线RTL8019ASI0CS16引脚接高电平,选择16位数据总线方式,并且使用了电平转换器。

3)中断连接RTL8019AS7个中断输出,但只要从中选择一个送往VC5402的外部中断输入口就可以了。中断接口也使用了电平转换器。

4)读/写控制VC5402I/O口控制信号等信号经过74HACT139译码后与RTL8019AS的连接。由于VC5402I/O口读/写速度很快,因此将RTL8019ASIOHRDY信号与VC5402的外设准备好信号READY相连。另外,将引脚接高电平,屏蔽了远程自举加载功能。

5)初始化配置

VC5402的一个扩展输出口代替跳线器来指定RTL8019ASI/O口基地址、中断输出口、介质类型,并用一个输出信号作为RTL8019AS的复位信号。RTL8019AS复位结束时采样这些配置引脚,并根据引脚状态初始化其内部的配置寄存器。

3软件结构功能实现

本家庭网关系统软件的功能是在DSP上实现简化的TCP/IP协议栈,通过网络芯片RTL8019AS和模拟以态网的PC机之间通信。软件设计是根据分层协议的模块结构,大体可分为4个模块,如表1所示。采用目前应用广泛的客户/服务器模型。DSP作为服务器,上位的PC机是客户机。软件环境是TI公司的DSP集成开发环境CCSCode ComposerStudio),它是一个基于WindowsDSP开发平台,具有实时、多任务、可视化的软件开发特点。

 

嵌入式TCP的实现是在下位机DSP中。其主程序流程如图3所示。初始化CPU函数InitCPU()完成DSP的初始化、定时器和中断设置。在初始化函数Init8019()中对芯片的工作寄存器的一些参数进行设置,使芯片正常工作,8 0 1 9基地址定义:RTL8019BASE 0x3700,寄存器是在基地址上再加偏移地址,如Reg00定义为(RTL8019ASE+0X00,其余依次类推。

4结束语

DSP技术是本文家庭网关所采用的核心技术,将此技术引入到家庭网关中,使智能家居产品的功能强大,性价比高,在实时性和精确性上提供了保证,并且通用性和可扩展性好,因而具有较高的实际应用价值。

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