基于ARM和uClinux的家庭网关系统

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mClinux，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。

　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。

图1 家庭网关系统结构图

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。

图2 家庭网关基本硬件平台框图

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。