基于ARM和μC /OS-Ⅱ的无线家庭网关设计

【中心议题】

• 提出了一个基于ARM微处理器S3C44B0X和μC/OS-II的无线家庭网关
• 给出了具体的软硬件设计方案

【解决方案】

• 硬件上引入了蓝牙模块,在家庭内部网络中实现短距离无线通信
• 通过浏览网页的方式实现远程控制

随着信息家电和通信技术的飞速发展,智能化、可通信的家电产品越来越多,越来越普及,那么将其接入Internet进行远程控制即将成为现实,这就要求在家庭内部构建网络,如图1所示。家庭网关是这个网络中必不可少的一部分,它是外部Internet和家庭内部网络进行通信的桥梁,又是连接家庭内部的各子网的纽带。

传统家庭网关的设计方案一般有两种:一种是基于PC机的方案,它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;另一种是采用8位、16位单片机为硬件平台的方案,它的速度慢且资源有限,实现TCP/IP协议比较困难。基于此本文设计了一款性价比较高且适合普通用户的家庭网关。方案如下:

硬件上,以ARM核的32位微处理器为核心,外扩各功能模块;软件上,通过移植嵌入式操作系统μC/OS-II,并在其上开发相应模块的驱动程序和用户应用程序,从而实现家庭网关的具体功能。

1　系统硬件结构

家庭网关的系统结构如图2所示,主要包括以下几个方面的内容。

1)ARM核的32位微处理器S3C44B0X,它是三星公司专为手持设备和一般应用提供的高性价比和高性能的微控制器解决方案,它内含一个由ARM公司设计的ARM7TDMI处理器核,工作在66MHz。ARM7TDMI为低功耗、高性能的16/32核,最适合用于对价格及功耗敏感的应用场合。

2)存储器系统:Flash、SDRAM

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网络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。

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8 k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。

3)用户接口: LCD显示、键盘等。为了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,系统设有一块320×240单色STN LCD显示模块和16按键键盘。S3C44B0X本身内置有LCD控制器,而且它能与大多数不含控制器的LCD模块无缝连接,因此LCD显示模块选用不含LCD控制器只含LCD驱动器的显示模块,该系统中选用的是Samsung公司的

320×240单色STN LCD模块UG-32-F04-WCBNO-A,这样可以有效节省成本。

键盘是标准的输入设备,大量的嵌入式产品依赖键盘或者小键盘接口用于用户的输入。它可以用来输入数字型数据或者选择控制设备的操作模式。实现键盘有两种方案:一是采用现有的一些芯片实现键盘扫描;再有就是用软件实现键盘扫描。从本系统的成本出发,此处选用键盘扫描的软件实现方法。

4)功能模块:电话语音控制模块、红外收发模块、蓝牙模块、以太网接口模块等。

电话语音控制模块: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。

红外遥控模块:对室内家电的控制采用传统的红外遥控方式,这种控制方式使用较为普及,技术非常成熟,所以在系统中添加了红外发射模块和接收模块。

蓝牙模块: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。在本方案中,蓝牙模块可实现与家庭网络内的各功能模块之间相互通信。其硬件芯片采用爱立信公司的ROK101008模块,该模块与S3C44B0X连接时选用UART接口,将相应引脚互连即可。家庭网关采用在μCos-Ⅱ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。

10/100M以太网接口模块: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。

S3C44B0X内部包含以太网MAC控制,但未提供物理层接口,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。

5)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。

2　系统软件实现

本系统中使用的是基于μC/OS-II内核的实时操作系统,它是整个软件系统的核心,负责提供硬件设备的驱动程序及各种应用程序。此处需要开发的硬件驱动有:LCD驱动、蓝牙模块、小键盘的驱动程序等。由于S3C44B0X芯片是ARM7TDMI结构的,不带有MMU(内存管理单元),所以其操作系统和用户应用程序是编译在一起运行的,应用程序是在ARM SDT2. 5开发环境下完成的,最后生成一个文件,下载到S3C44B0X中便可执行。整个系统主程序流程如图3所示。

3　结束语

本文给出了一个基于ARM微处理器S3C44B0X及μC/OS-II的无线家庭网关的软硬件设计。硬件上沿用了红外遥控模块,同时引入蓝牙技术,符合信息家电的发展趋势及要求,还可以随时随地通过浏览网页实现对家电的远程控制;软件上通过移植嵌入式实时操作系统μC/OS-II,可根据用户的实际需要对系统进行编译,便于升级。该网关结构简单,造价低廉,因而有大规模普及的可能及良好的市场前景。