基于ARM-UClinux的无线家庭网关设计

　　引言

　　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