隨著網(wǎng)絡技術和信息家電的飛速發(fā)展，越來越多的家庭要求建立家庭網(wǎng)絡。家庭網(wǎng)關是整個家庭網(wǎng)絡的核心，它主要實現(xiàn)Internet接入、遠程控制，以及連接家庭內部異構子網(wǎng)的功能?；赑C機方案的家庭網(wǎng)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(tài)，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(wǎng)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(xiàn)TCP/IP協(xié)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(tǒng)?Clinux，并在其上開發(fā)相應的驅動程序、應用程序和嵌入式Web服務器，實現(xiàn)了一個方便、實用的家庭網(wǎng)關。

圖1 家庭網(wǎng)關系統(tǒng)結構圖

　　












圖2 家庭網(wǎng)關基本硬件平臺框圖

圖3 Internet 遠程控制程序流圖

系統(tǒng)的硬件設計

　　系統(tǒng)結構及工作原理

　　家庭網(wǎng)關的系統(tǒng)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(wǎng)接口模塊、電話語音控制模塊和紅外收發(fā)模塊等來構建硬件平臺，并可實現(xiàn)多種控制方式。

　　1） 在本地用鍵盤及顯示器進行控制：系統(tǒng)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(tài)的設置和查詢，如數(shù)據(jù)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(xiàn)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(wǎng)（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(xiàn)家庭網(wǎng)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(wǎng)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(tǒng)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(tǒng)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。

　　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(wǎng)關中的嵌入式操作系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡服務器、CGI網(wǎng)關應用程序以及支持各種服務所需的文件系統(tǒng)。在系統(tǒng)中采用一片HY29LV160構建16位的Flash存儲器系統(tǒng)，其存儲容量為2MB。系統(tǒng)上電或復位后從此獲取指令并開始執(zhí)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(tǒng)的存在需要有一定量的動態(tài)RAM，解壓縮后的操作系統(tǒng)將從 Flash搬移至SDRAM，駐留內存;同時，用戶堆棧、運行數(shù)據(jù)也都會放在SDRAM中。S3C44B0X芯片提供的8K緩存遠遠不能滿足要求?？紤]到實際應用的需求，設計中選擇了三星的K4S281632D，它的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(wǎng)接口電路：S3C44B0X內部已包含了以太網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡變壓器HR61H58L。

　　串行接口電路：為完成和家庭內部網(wǎng)絡的藍牙通信模塊、紅外發(fā)射與接收模塊以及電話語音控制模塊的通信，家庭網(wǎng)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(tǒng)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(jīng)過信號電平的轉換。在這里采用MAX202將串口數(shù)據(jù)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(jīng)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(tǒng)中，外擴一片AT24C01作為IIC存儲器。AT24C01提供128字節(jié)的EEPROM存儲空間，可用于存放少量在系統(tǒng)掉電時需要保存的數(shù)據(jù)，比如家庭網(wǎng)關的參數(shù)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(xiàn)電壓偏轉功能的電路，來實現(xiàn)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(wǎng)關采用在?Clinux操作系統(tǒng)下安裝BlueZ以配合藍牙模塊，并基于L2CAP層建立相關協(xié)議的方式進行開發(fā)。

　　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(tǒng)中增加了紅外接收模塊和紅外發(fā)射模塊。紅外接收模塊選用BA5302，紅外信號從其頂部輸入，經(jīng)過放大、整形、解調后，被轉換成TTL電平的數(shù)字信號；紅外發(fā)射模塊將剛才學習到的紅外原碼進行調制并發(fā)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(tǒng)的軟件平臺

　　建立?Clinux開發(fā)環(huán)境

　　基于?Clinux操作系統(tǒng)的應用開發(fā)環(huán)境一般是由目標系統(tǒng)硬件開發(fā)板（S3C44B0X的開發(fā)板）和宿主PC機所構成。目標板所用到的操作系統(tǒng)的內核編譯、應用程序的開發(fā)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(wǎng)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(tǒng)，之后就可以建立交叉開發(fā)環(huán)境。從網(wǎng)上下載工具鏈，并將交叉編譯器安裝到宿主機上。還要根據(jù)家庭網(wǎng)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(tǒng)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(fā)平臺就搭建成功了。

　　硬件驅動和應用程序的開發(fā)

　　硬件驅動和應用程序