采用SX52單片機(jī)模擬家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計

1 引言

信息家電(3C或說是IA)對人們來說已經(jīng)不再是一個陌生的名字了，它是利用電腦、電信和電子技術(shù)與傳統(tǒng)家電相結(jié)合的創(chuàng)新產(chǎn)品， 是為數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更廣泛地深人家庭生活而設(shè)計的新型家用電器。要將它們與外部網(wǎng)絡(luò)(如Internet)連接進(jìn)行信息交互，利用家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行集中式管理無疑是一個理想的解決方案。

家庭網(wǎng)關(guān)就是這樣一種簡單的、智能的、標(biāo)準(zhǔn)化的、靈活的整個家庭網(wǎng)絡(luò)接口單元，它可以從不同的外部網(wǎng)絡(luò)接收通訊信號，通過家庭網(wǎng)絡(luò)傳遞信號給某個消費(fèi)設(shè)備。但是，目前家庭網(wǎng)關(guān)在體系結(jié)構(gòu)、功能分配等方面的標(biāo)準(zhǔn)還未確定，對其的研究正在如火如荼進(jìn)行中。

本文采用SX52嵌入式網(wǎng)絡(luò)單片機(jī)集成式開發(fā)系統(tǒng)主模塊模擬家庭網(wǎng)關(guān)，并利用其外圍擴(kuò)展模塊模擬信息家電，從而成功搭建了一個模擬家庭網(wǎng)關(guān)和信息家電交互的軟硬件平臺，這種利用一個單片機(jī)集成系統(tǒng)對家庭網(wǎng)關(guān)和信息家電進(jìn)行模擬，為研究信息家電的內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)以及家庭網(wǎng)關(guān)和信息家電功能分配提供了實(shí)驗(yàn)平臺，同時大大節(jié)省了資源和費(fèi)用。

2 關(guān)理論研究

2.1信息家電

信息家電是所有能夠通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)交互信息的家電產(chǎn)品，也就是說信息家電是將數(shù)字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集成在電冰箱、洗衣機(jī)等傳統(tǒng)家用電器上并以此為基礎(chǔ)建立家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，信息家電具有以下特點(diǎn)：(1)通過有線或無線方式相連，能相互識別并協(xié)同工作與網(wǎng)絡(luò)化;(2)能夠遵循一定的協(xié)議，通過家庭網(wǎng)關(guān)或直接與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互;(3)功能單一[1]集中并且使用簡單;(4)具有實(shí)時化、數(shù)字化與智能化的特點(diǎn);(5)應(yīng)用嵌入式操作系統(tǒng)。

根據(jù)這些特點(diǎn)，我們將其內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)分為上下兩大模塊層，上層為軟件模塊，由上至下為應(yīng)用層(如服務(wù)注冊、應(yīng)用協(xié)議解釋等)、嵌入式操作系統(tǒng)層(如嵌入式Linux、 WinCE等)、設(shè)備驅(qū)動層(如液晶顯示屏驅(qū)動、觸摸屏驅(qū)動等)，下層為硬件模塊，包括核心主板(包括嵌入式處理器芯片如S3C2410等) 、家電硬件及控制層(自帶控制模塊)、外圍芯片(如RTL8019AS、Bluetooth等)。其中核心主板為主控制器，信息家電通過外圍芯片與外界進(jìn)行信息交互，在核心主板的控制下再與家電控制模塊進(jìn)行雙向信息交流，從而實(shí)現(xiàn)對家電硬件的監(jiān)控。這里提到的嵌入式操作系統(tǒng)在今后隨著信息家電產(chǎn)品功能的增多增強(qiáng)，對其的使用是一種必然趨勢，本文在有限資源的單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)就沒有對其進(jìn)行討論。

2.2家庭網(wǎng)關(guān)

單個的信息家電也可以具有與Internet直接連接上網(wǎng)的功能，但是借助現(xiàn)有的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將家庭內(nèi)各種家電和設(shè)備連網(wǎng)，通過家庭網(wǎng)絡(luò)為人們提供各種豐富、多樣化、個性化、方便、舒適、安全和高效的服務(wù)，把所有的信息家電連接起來形成一個家庭網(wǎng)絡(luò)，再把接入Internet的功能移至到家庭網(wǎng)關(guān)，由家庭網(wǎng)關(guān)承擔(dān)起與Internet進(jìn)行信息交互的責(zé)任，這不僅會減少信息家電的負(fù)載、降低成本，而且對家庭網(wǎng)絡(luò)化也是一種促進(jìn)，因?yàn)榧彝ゾW(wǎng)絡(luò)內(nèi)部可以使用不同的協(xié)議，從而更具靈活性。因此，實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)與外部信息的交換需要設(shè)計一個理想的家庭網(wǎng)關(guān)。

家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)具備的兩個主要功能是：(1)作為家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)連接的一種物理接口;(2)使住宅用戶可以獲得各種家庭服務(wù)(包括現(xiàn)有的服務(wù)和未來可能出現(xiàn)的服務(wù)，譬如經(jīng)過授權(quán)能打開朋友家的影碟機(jī)進(jìn)行影片觀看等)的平臺。

家庭網(wǎng)關(guān)接口的有效的解決方案，當(dāng)前比較統(tǒng)一的觀點(diǎn)是開發(fā)一個集中式網(wǎng)關(guān)，它將提供一個最有效的橋接外部網(wǎng)絡(luò)和家庭網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備的解決方案。另外，以 PC作為家庭網(wǎng)關(guān)，體積過大，環(huán)境適應(yīng)能力差，而且還必須安裝兩個網(wǎng)絡(luò)適配器(一個用于連接 Internet，一個用于連接內(nèi)部網(wǎng)絡(luò))，總的費(fèi)用也比一臺專用網(wǎng)關(guān)要高。因此，設(shè)計專用網(wǎng)關(guān)是完全有必要的。鑒于家庭網(wǎng)關(guān)的功能特點(diǎn)，其邏輯結(jié)構(gòu)應(yīng)如圖1所示。　

3 件選型

3.1 SX52的特點(diǎn)

如何利用單片機(jī)本身有限的資源對信息進(jìn)行TCP/IP協(xié)議處理，使之變成可以在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包?目前有兩種方案：一種是PC網(wǎng)關(guān)+專用網(wǎng)，缺點(diǎn)是要增加布線和第三方協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件;另一種是32位MCU+RTOS，弊端是開發(fā)難，成本極高。而用軟件方法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議比采用集成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的芯片，具有節(jié)省空間、降低成本的優(yōu)點(diǎn)，更重要的是可以隨意配置甚至修改各種協(xié)議，且能通過軟件升級方式跟隨未來的發(fā)展。

通過美國Ubicom公司的SX52 微控器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制就具備這個優(yōu)勢，其主要特點(diǎn)有：(1)速度快，在100MHz頻率下能達(dá)到100MIPS;(2)現(xiàn)成的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模塊供套用，可以通過虛擬外設(shè)功能來運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，例如TCP、IP、HTTP以及SMTP等;(3)強(qiáng)大的虛擬外設(shè)功能，即通過軟件對I/O口進(jìn)行靈活的配置，CPU執(zhí)行虛擬軟件模塊就可以驅(qū)動普通的I/O口來模擬外設(shè)的功能，比如UART、SPI、IIC和FSK等。采用其成功的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模塊和一些適用于小型嵌入式系統(tǒng)的做法構(gòu)筑現(xiàn)場控制是非常合適的做法。

3.2 SX52主要功能模塊

3.2.1 CPU模塊(包括在線下載 ISP 電路)

此模塊實(shí)現(xiàn)開發(fā)系統(tǒng)板的系統(tǒng)控制，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口控制，主要包含SX52BD。SX52BD為開發(fā)系統(tǒng)板主CPU，它是一款RISC指令集的高速8 位單片機(jī)，片上帶有4K×16 位的Flash存儲器和262×8位的RAM。由于采用CPU并行流水線方式及單時鐘周期指令，指令執(zhí)行速度可達(dá)100MIPS。這款單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用在需要網(wǎng)絡(luò)支持的場合，尤其適合于需要遠(yuǎn)程監(jiān)控的應(yīng)用中。開發(fā)系統(tǒng)板所實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(IP、ARP、DHCP、UDP、TCP、HTTP、SMTP)就是通過此芯片實(shí)現(xiàn)的。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)接口模塊

此模塊實(shí)現(xiàn)了兩種網(wǎng)絡(luò)接口方式： 以太網(wǎng)接口和調(diào)制解調(diào)器接口, 主要包含RTL8019AS、以太網(wǎng)收發(fā)濾波器芯片、MAX232等。

3.2.3 用戶試驗(yàn)區(qū)模塊