引言
隨著網絡技術和信息家電的飛速發展，越來越多的家庭要求建立家庭網絡。家庭網關是整個家庭網絡的核心，它主要實現Internet接入、遠程控制，以及連接家庭內部異構子網的功能。基于PC機方案的家庭網關不僅成本較高，而且要求計算機一直處于開機并可進行通信的狀態，還不能在計算機上運行干擾通信任務的軟件和硬件。所以，為適應普通用戶，家庭網關應設計為基于廉價的非PC機設備。但是，若采用8位、16位單片機，由于速度慢且資源有限，實現TCP/IP協議比較困難，所以也不太理想。
因此本文以ARM核的32位嵌入式微處理器作為硬件平臺，結合無線通信技術，通過移植嵌入式操作系統uClinux，并在其上開發相應的驅動程序、應用程序和嵌入式Web服務器，實現了一個方便、實用的家庭網關。
系統的硬件設計
系統結構及工作原理
家庭網關的系統結構如圖1所示,它以三星公司的32位RISC處理器S3C44B0X為核心，通過外擴存儲器(Flash / SDRAM)、藍牙模塊、液晶顯示屏、小鍵盤、以太網接口模塊、電話語音控制模塊和紅外收發模塊等來構建硬件平臺，并可實現多種控制方式。
圖1 家庭網關系統結構圖
1) 在本地用鍵盤及顯示器進行控制：系統設有16按鍵和一塊128×32點陣的液晶顯示器，便于用戶在本地進行狀態的設置和查詢，如數據查詢、電器控制等。
2) 在本地的紅外遙控：通過具有自學習功能的紅外遙控模塊，能實現室內家電的紅外遙控。
3) 遠程的電話語音控制：這是一種基于公共電話交換網(PSTN)的電話遠程控制，用于電話的指令控制，如遠程控制家電、電話報警等。
4) 基于Internet的遠程控制：采用瀏覽器端/服務器端結構(B/S結構)，用戶可直接用Windows自帶的IE瀏覽器作為客戶端程序，以達到隨時隨地進行遠程控制的目的。
無線通信技術是實現家庭網絡最理想的技術，它可以省去在家庭內部重新布線的麻煩。在本家庭網關的設計中，采用藍牙模塊作為無線通信模塊與底層的各功能模塊相互通訊。
硬件電路組成
本系統的硬件設計主要包括以S3C44B0X嵌入式微處理器為核心所搭建的基本硬件平臺，以及藍牙通信、電話語音控制和紅外遙控等模塊的硬件設計。
以S3C44B0X為核心的基本硬件平臺基本系統的硬件框圖如圖2所示，各部分的功能與接口電路分析如下。
圖2 家庭網關基本硬件平臺框圖
ARM微處理器S3C44B0X：S3C44B0X是三星公司生產的ARM7內核的SoC，通過在ARM7TDMI內容基礎上擴展一系列完整的通用外圍器件，令其很適合手持式設備和普通嵌入式的應用。
Flash存儲器接口電路：Flash芯片用來存儲家庭網關中的嵌入式操作系統、家庭網絡服務器、CGI網關應用程序以及支持各種服務所需的文件系統。在系統中采用一片HY29LV160構建16位的Flash存儲器系統，其存儲容量為2MB。系統上電或復位后從此獲取指令并開始執行，因此將Flash存儲器配置到ROM/SRAM/FLASH Bank0。
SDRAM接口電路：嵌入式操作系統的存在需要有一定量的動態RAM，解壓縮后的操作系統將從Flash搬移至SDRAM，駐留內存;同時，用戶堆棧、運行數據也都會放在SDRAM中。S3C44B0X芯片提供的8K緩存遠遠不能滿足要求。考慮到實際應用的需求，設計中選擇了三星的K4S281632D，它的數據寬度是16 位,由4 個Bank 組成，存儲容量為16 MB。S3C44B0X的Bank6和Bank7 支持SDRAM，因此可以方便連接。在總線寬度控制寄存器BWSCON 中設置Bank6 的數據寬度為16 位，在Bank6 控制寄存器BANKCON6中設置MT = 0x3， Trcd= 0x0，SCAN = 0x01，在存儲容量寄存器BANKSIZE中設置BK76MAP = 0x110 即可。
10/100M以太網接口電路：S3C44B0X內部已包含了以太網MAC控制，但并未提供物理層接口，因此，需外接一片物理層芯片以提供以太網的接入通道。在本設計中選用的是RTL8201。由于S3C44B0X片內已有帶MII接口的MAC控制器，而RTL8201也提供了MII接口，各種信號的定義也很明確，因此RTL8201與S3C44B0X的連接比較簡單，在連接時只需將兩塊芯片的相應引腳互連即可。值得注意的是，使用CMOS工藝的RTL8201不能直接與RJ45接口相連，由于電平信號的不同以及網絡沖擊信號的存在，兩者之間需要隔離及電平信號轉換的元件，本設計中選用了網絡變壓器HR61H58L。
串行接口電路：為完成和家庭內部網絡的藍牙通信模塊、紅外發射與接收模塊以及電話語音控制模塊的通信，家庭網關需要有異步串行通信接口，由于S3C44B0X只有兩個異步串口，因此需要對串口進行擴展。本設計中選用一片ST16C554 芯片進行串口擴展。由于S3C44B0X系統的LVTTL電路所定義的高、低電平信號與RS-232-C標準所定義的高、低電平信號不同，兩者間要進行通信必須經過信號電平的轉換。在這里采用MAX202將串口數據信號轉換成TTL電平，再通過ST16C554輸出中斷請求。4個串口的中斷請求進行或運算，產生IRQ信號INTREQ，經CPLD再與CPU的終端控制器相連。
IIC接口電路：S3C44B0X內含一個IIC總線主控器，可方便地與各種帶有IIC接口的器件相連。在該系統中，外擴一片AT24C01作為IIC存儲器。AT24C01提供128字節的EEPROM存儲空間，可用于存放少量在系統掉電時需要保存的數據，比如家庭網關的參數設置和用戶身份驗證碼等。
LCD顯示模塊：該模塊可采用夏普公司生產的LM057QC1T01，它是圖形點陣256色STN液晶模塊，分辨率為320×240。由于S3C44B0X和LM057QC1T01都具有很強的通用性，因此易于連接，但需要在控制器和LCD接口之間加裝能實現電壓偏轉功能的電路，來實現輸出LCD顯示所需的27V偏轉電壓。
鍵盤接口電路：用8個通用I/O口組成4×4鍵盤。
S3C44B0X所需的其他外圍電路：JTAG接口電路(用于JTAG調試)、復位電路和電源電路。
其他功能模塊藍牙模塊：在本方案中，藍牙硬件芯片采用愛立信公司的ROK 101008 模塊。家庭網關采用在uClinux操作系統下安裝BlueZ以配合藍牙模塊，并基于L2CAP層建
立相關協議的方式進行開發。
電話語音控制模塊：采用雙音頻撥號芯片DTMF8870、語音合成芯片ISD1420、鈴流檢測芯片電路以及89C51等來組成電話語音控制模塊。
紅外遙控模塊：系統中增加了紅外接收模塊和紅外發射模塊。紅外接收模塊選用BA5302，紅外信號從其頂部輸入，經過放大、整形、解調后，被轉換成TTL電平的數字信號；紅外發射模塊將剛才學習到的紅外原碼進行調制并發送出去，在這里采用軟件編碼的方法產生調制信號，因此電路很簡單。
系統的軟件平臺
建立Clinux開發環境基于Clinux操作系統的應用開發環境一般是由目標系統硬件開發板(S3C44B0X的開發板)和宿主PC機所構成。目標板所用到的操作系統的內核編譯、應用程序的開發和調試需要通過宿主PC機來完成。兩者之間一般通過串口、并口或以太網接口來建立連接關系。首先，要在宿主機上安裝標準Linux操作系統，之后就可以建立交叉開發環境。從網上下載工具鏈，并將交叉編譯器安裝到宿主機上。還要根據家庭網關的需要重新配置、編譯內核，進行?Clinux移植。成功后可看到?Clinux-Samsung/images目錄下有兩個內核文件：image.ram和image.rom。將image.rom燒寫入ROM/SRAM/FLASH Bank0對應的Flash存儲器中，當系統復位或上電時，內核會自解壓到SDRAM，并開始運行。這樣一個嵌入式應用開發平臺就搭建成功了。
硬件驅動和應用程序的開發
硬件驅動和應用程序的開發也要在交叉編譯環境中進行，先在PC機上開發，然后移植到目標機上進行調試并最終固化到目標機上。本設計中需要開發的硬件驅動有：以太網卡控制器、串口、LCD驅動、藍牙模塊、小鍵盤的驅動程序等。為Linux內核編寫驅動并不像其他操作系統那么復雜，只需為相應的設備編寫幾個基本函數并向VFS注冊即可，一般都是在一個現成的驅動程序基礎上針對特殊的硬件設備作相應的改動。在嵌入式操作系統的基礎上還要開發微型GUI,編寫動態網頁和CGI程序來實現嵌入式WEB技術、安全認證、及無線通信協議等。例如：基于Internet的遠程控制是通過瀏覽家庭網關中的Web Server的動態網頁實現的，遠程控制程序需要從用戶訪問信息中解出有用的控制命令信息，然后按家庭控制網的內部協議組成命令幀，實現控制的關鍵是CGI程序的編制，其流程如圖3所示。
圖3 Internet 遠程控制程序流圖
結語
本文討論了一個基于ARM微處理器S3C44B0X及uClinux的無線家庭網關的軟硬件設計。該家庭網關控制方式多樣，并且能隨時隨地通過瀏覽網頁實現對家電的遠程控制。該家庭網關成本較低，易于升級，便于推廣應用。