基于SX52的嵌入式模擬系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

摘　要：本文簡要介紹了信息家電和家庭網(wǎng)關(guān)的特點以及它們的功能分配問題，描述了利用SX52單片機(jī)模擬家庭網(wǎng)關(guān)的通用設(shè)計方法，具體對如何在SX52上擴(kuò)展軟硬件模擬家庭網(wǎng)關(guān)功能和信息家電功能進(jìn)行了重點分析討論，并以模擬電冰箱為例做了具體實現(xiàn)，為后續(xù)的家庭網(wǎng)關(guān)和信息家電研究提供了基礎(chǔ)實驗平臺。
關(guān)鍵詞：家庭網(wǎng)關(guān)；信息家電；嵌入式系統(tǒng)；SX52；嵌入式Web服務(wù)器

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驗平臺，同時大大節(jié)省了資源和費用。

2 相關(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：（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）具有實時化、數(shù)字化與智能化的特點；（5）應(yīng)用嵌入式操作系統(tǒng)。根據(jù)這些特點，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)，因為家庭網(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，其邏輯結(jié)構(gòu)應(yīng)如圖1所示。

圖1家庭網(wǎng)關(guān)邏輯結(jié)構(gòu)

3 硬件選型

3.1 SX52的特點

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，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）

此模塊實現(xiàn)開發(fā)系統(tǒng)板的系統(tǒng)控制，并實現(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4K16 位的Flash存儲器和2628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）就是通過此芯片實現(xiàn)的。

　　3.2.2 網(wǎng)絡(luò)接口模塊

此模塊實現(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 用戶試驗區(qū)模塊

主CPU的信號引腳都已經(jīng)連接到用戶試驗區(qū)的周圍，有5組共40條信號線。開發(fā)使用人員可以在試驗區(qū)利用這些信號進(jìn)行相應(yīng)的外圍電路擴(kuò)展試驗。

4 模擬系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

4.1 硬件設(shè)計與實現(xiàn)

本文選擇SX52作為模擬實現(xiàn)信息家電和家庭網(wǎng)關(guān)交互的平臺是非常合適的，因為我們利用其用戶試驗區(qū)模塊擴(kuò)展外圍模塊電路（如電冰箱遙控模塊）模擬信息家電，以主模塊模擬家庭網(wǎng)關(guān)，以實現(xiàn)通過遠(yuǎn)程終端（Web瀏覽器或者專用控制客戶端）對信息家電的控制，本文只討論利用專用控制客戶端，通過串口通訊方式實現(xiàn)對家電的遠(yuǎn)程控制。在板上添加了紅外遙控發(fā)射電路（主芯片CS5104）模擬電冰箱，能夠?qū)崿F(xiàn)對電冰箱的遙控功能，同時為了了解開發(fā)系統(tǒng)遙控效果，還添加了遙控接收電路（主芯片CS8206），可以響應(yīng)發(fā)射電路的遙控信號。還添加了遙控接收端狀態(tài)LED（9只）用于顯示電冰箱狀態(tài)。硬件構(gòu)成框圖如圖2所示，本文只給出包含電冰箱模塊的框圖，添加其它模塊類似。

圖2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖

4.2 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

通過專用控制客戶端控制信息家電，首先要定義控制協(xié)議，讓從客戶端發(fā)送過去的信息被家庭網(wǎng)關(guān)解包提取有效信息后能進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，把控制信息轉(zhuǎn)化為控制命令發(fā)送給信息家電，以執(zhí)行正確的操作，系統(tǒng)工作流程如下：

（1）開發(fā)系統(tǒng)板上電后初始化主芯片及各外圍芯片。

（2）打開客戶端程序如圖3所示。

（3）根據(jù)需要配置控制電冰箱的各選項，點擊“確定”后即啟動開發(fā)板上的電冰箱模塊，然后客戶端程序發(fā)出的服務(wù)請求（包含連接家庭網(wǎng)關(guān)的認(rèn)證請求），經(jīng)過開發(fā)板上的RTL8019AS,再經(jīng)SX52解釋驗證，如果驗證成功，在SX52控制下把已經(jīng)轉(zhuǎn)換的請求信息發(fā)送給電冰箱遙控發(fā)射芯片，該芯片發(fā)送遙控信號遙控接收電路，通過相應(yīng)的LED顯示，從而響應(yīng)遠(yuǎn)程控制請求。最后通過觀看控制界面上的顯示狀態(tài)與開發(fā)板上相應(yīng)LED顯示是否相符（界面上表示溫度的滑竿只設(shè)計了三個固定溫度，在開發(fā)板上用三個LED分別顯示），從而檢驗?zāi)M系統(tǒng)運行成功與否。

圖3 專用控制客戶端界面

由于考慮到單片機(jī)的處理能力，定義單個字符傳遞控制信息不僅可以節(jié)省資源，而且可以縮短響應(yīng)時間，滿足更高的實時性要求。以對電冰箱模塊的模擬為例，由客戶端程序發(fā)送給網(wǎng)關(guān)的信息，由網(wǎng)關(guān)提取后轉(zhuǎn)發(fā)給電冰箱模塊，其中的控制協(xié)議具體實現(xiàn)如下：用'e'代表關(guān)閉，'t'代表設(shè)置溫度（考慮到單片機(jī)的處理能力有限，只利用 “高中低”代表溫度設(shè)定值），'s'代表啟動/凍速（快速、標(biāo)準(zhǔn)、慢速，啟動后默認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)），'m'代表工作模式（省電模式和正常模式）。選擇好各選項按“確定”后，就將控制信息以數(shù)據(jù)報的形式發(fā)送給家庭網(wǎng)關(guān)（SX52），家庭網(wǎng)關(guān)再進(jìn)行解拆包，把來自客戶端的有效控制信息提取出來，再轉(zhuǎn)換成為模擬信息家電的電冰箱模塊所能識別的形式，最后通過I²C總線發(fā)給電冰箱模塊。后面相應(yīng)的燈就按已經(jīng)定義好的規(guī)律變亮或是變暗，表示溫度的滑竿的狀態(tài)也相應(yīng)變化。

根據(jù)上面制定的協(xié)議，制作客戶端和在相應(yīng)的文件中進(jìn)行代碼添加和修改，再按以下的步驟完成最后的工作：

（1）制作客戶端實現(xiàn)以上協(xié)議，并顯示電冰箱的控制狀態(tài)信息，頁面外觀如圖3所示。

（2）修改i2c_uartdemo.src源文件，將其中的串口連接方式改為以太網(wǎng)連接方式，并添加電冰箱初始化代碼、中斷代碼和協(xié)議轉(zhuǎn)化模塊。

（3）利用匯編/編程器軟件SXKey52.exe將文件i2c_uartdemo.src下載到開發(fā)系統(tǒng)板，然后利用PC上運行的客戶端程序（如圖3所示）對開發(fā)板上的電冰箱硬件電路進(jìn)行控制。

5 小 結(jié)

本文從研究家庭網(wǎng)關(guān)和信息家電出發(fā)，選擇高性能的8位SX52單片機(jī)集成系統(tǒng)并進(jìn)行軟硬件裁剪，成功地利用外圍硬件電路和虛擬外圍及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件虛擬模塊，搭建了模擬家庭網(wǎng)關(guān)和信息家電的嵌入式實驗平臺，為進(jìn)一步研究家庭網(wǎng)關(guān)和信息家電內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及二者之間的功能分配打下了堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 秦勃,章軍,基于嵌入式系統(tǒng)的安全網(wǎng)關(guān)的設(shè)計,微計算機(jī)信息,2005年第21卷第8-2 期