于FPGA的跳頻通信頻率合成器設(shè)計(jì)

0 引言
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)居住房子的舒適性及安全性要求也提升到了更高的檔次，同時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)也在不斷發(fā)展，這使得家庭智能系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控成為一種現(xiàn)實(shí)。本文設(shè)計(jì)的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了家用電器等的智能化管理，對(duì)家庭環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)視和自動(dòng)報(bào)警功能。

1 智能家居系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分是一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器，系統(tǒng)集有線和無(wú)線Web服務(wù)器于一體，用戶可以利用辦公室的PC登錄家中的Web服務(wù)器，在通過(guò)用戶名和密碼驗(yàn)證后，便可以查看并控制家用電器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)硬件電路框圖如圖2所示，主要由ARM9控制器S3C2440，F(xiàn)LASH，SDRAM，電源及復(fù)位模塊，觸摸屏顯示模塊，USB攝像頭，以太網(wǎng)接口模塊，GPRS模塊，家電控制，安防控制等組成。

2．1 ARM9控制器S3C2440
ARM9控制器S3C2440是基于ARM920T內(nèi)核的16／32位RISC處理器，具有功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。
2．2 家電控制
本系統(tǒng)針對(duì)家電設(shè)備的智能化程度不同，提出了不同的解決方案。對(duì)于電燈開關(guān)等需要手工控制的傳統(tǒng)家庭設(shè)備。系統(tǒng)添加了輔助控制器(繼電器等)，用戶可通過(guò)以太網(wǎng)或手機(jī)短信的方式控制處理器GPIOn的狀態(tài)，間接控制家庭設(shè)備；對(duì)于電視、空調(diào)等可通過(guò)紅外線控制的電器設(shè)備，系統(tǒng)采用帶有以太網(wǎng)接口的通用控制器統(tǒng)一遙控；對(duì)于自身具備網(wǎng)絡(luò)接入功能，支持遠(yuǎn)程平臺(tái)控制的智能電器設(shè)備，直接接入家庭以太網(wǎng)即可。
2．3 安防控制
系統(tǒng)使用的所有探測(cè)器(煙感傳感器、煤氣傳感器、門磁傳感器等)和報(bào)警設(shè)備，都是通過(guò)GPIO與控制器相連來(lái)完成報(bào)警輸入輸出的功能。然而這些輸入輸出信號(hào)都有很強(qiáng)的電流，對(duì)系統(tǒng)的干擾較大，因此采用TLP521光電隔離芯片和繼電器對(duì)報(bào)警輸入輸出信號(hào)分別進(jìn)行隔離，從而把外部信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的影響降到最低。

2．4 GPRS模塊
GPRS模塊采用西門子公司的MC35i GPRS MODEM。當(dāng)S3C2440控制器收到報(bào)警信號(hào)時(shí)，它通過(guò)UART控制MC35i，將預(yù)存的相應(yīng)報(bào)警信息通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)以短信的形式發(fā)送到用戶的手機(jī)上，同時(shí)向小區(qū)物業(yè)中心發(fā)出報(bào)警，使用戶和物業(yè)部門及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，并采取有效的處理措施減少
經(jīng)濟(jì)損失。

2．5 以太網(wǎng)接口模塊
由于S3C2440本身沒有集成以太網(wǎng)控制模塊，所以需要一個(gè)與之相匹配的DM9000控制芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)擴(kuò)展接口。在DM9000和RJ45接口之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器HR601627來(lái)連接，連接圖如圖3所示，網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器起信號(hào)傳輸、高電壓隔離等作用，以保護(hù)系統(tǒng)的安全。

2．6 USB攝像頭
本系統(tǒng)所用的USB攝像頭是中星微公司的ZC2301P。攝像頭ZC301P采集的視頻信號(hào)經(jīng)壓縮后形成的視頻數(shù)據(jù)流會(huì)通過(guò)內(nèi)部總線傳送到嵌入式Web服務(wù)器上，用戶可通過(guò)登陸網(wǎng)絡(luò)直接觀看Web服務(wù)器上的視頻圖像，實(shí)時(shí)監(jiān)控家中的情況。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)控制中心是ARM9控制器，其軟件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)軟件(嵌入式操作系統(tǒng)、硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、嵌入式Web服務(wù)器)設(shè)計(jì)和應(yīng)用軟件(網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)及CGI應(yīng)用程序)設(shè)計(jì)。
3．1 嵌入式操作系統(tǒng)在S3C2440上移植過(guò)程
(1)從網(wǎng)站上下載Linux的內(nèi)核源碼linux-2．6．31．tar．bz2和交叉編譯器arm920t-eabi．tgz，這個(gè)交叉編譯器是4．1．2版本的，支持EABI，可以提高編譯的效率。
(2)在宿主機(jī)上將內(nèi)核源碼解壓得到linux-2．6．31，將交叉編譯器解壓到指定目錄。
(3)修改Makefile文件及相關(guān)硬件文件。由于內(nèi)核的編譯是根據(jù)Makefile文件的指示進(jìn)行的，Makefile文件來(lái)組織內(nèi)核的各模塊之間的關(guān)系，記錄了各個(gè)模塊之間的相互聯(lián)系和依賴關(guān)系。所以，修改Linux2．6．31根目錄下的Maldile文件來(lái)指定平臺(tái)和交叉編譯器。
(4)通過(guò)命令# make menuconfig來(lái)配置內(nèi)核。配置內(nèi)核時(shí)，讓它支持EABI編譯。
(5)在linux-2．6．31根目錄下執(zhí)行命令# make zImage來(lái)編譯內(nèi)核，將生成的內(nèi)核鏡像文件zImage通過(guò)相應(yīng)的固化軟件固化到系統(tǒng)相應(yīng)的存儲(chǔ)器中，完成linux-2．6．31內(nèi)核在ARM微處理器上的移植。

3．2 驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)
控制器需要多個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。嵌入式Linux系統(tǒng)中設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的框架，可以根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)來(lái)填寫框架中的函數(shù)。主要的函數(shù)包括 open()，read()，write()，ioctl()，release()，module_init()和module_exit()等。為了減小內(nèi)核的大小，把編寫好的驅(qū)動(dòng)程序編譯成模塊。編寫Makefile、Kconfig文件，分別執(zhí)行make menuconfig命令選擇驅(qū)動(dòng)程序的加載方式，利用makemodules命令生成目標(biāo)文件，最后利用insmod命令調(diào)用 initial_module函數(shù)將編譯好的模塊調(diào)入內(nèi)存即可。
3．3 Web服務(wù)器Boa移植
Boa是一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器，能夠生成動(dòng)態(tài)的頁(yè)面，支持CGI，比較適合嵌入式系統(tǒng)。在硬件電路板上存放一個(gè)網(wǎng)頁(yè)，在用戶端可以通過(guò)瀏覽器來(lái)訪問硬件電路板上這個(gè)網(wǎng)頁(yè)，然后通過(guò)網(wǎng)頁(yè)中的內(nèi)容就可以和硬件電路板上的硬件設(shè)備進(jìn)行交互。具體移植過(guò)程如下：
(1)從網(wǎng)上下載Boa服務(wù)器源碼壓縮包boa-0．94．13．tar.gz，將其解壓得到boa-0．94．13，在boa-0．94．13／src下編譯生成boa可執(zhí)行程序。
(2)把宿主機(jī)Linux操作系統(tǒng)下的／etc／mime．types復(fù)制到根文件系統(tǒng)的／etc目錄中，在根文件系統(tǒng)的／etc中建立boa文件夾，根文件系統(tǒng)的／etc／boa目錄下建立www、cgi-bin目錄，www中存放HTML文件，cgi-bin中存放CGI腳本，把網(wǎng)頁(yè)文件 index．files和index．html復(fù)制到根文件系統(tǒng)的／etc／boa／www目錄下，在根文件系統(tǒng)的／var目錄下建立日志目錄 log／boa。
(3)對(duì)Boa作配置和修改。主要通過(guò)對(duì)defines．h，boa．conf和mime．types文件進(jìn)行修改來(lái)實(shí)現(xiàn)。修改defines．h指定 Web服務(wù)器的根目錄路徑(SERVER_ROOT)。boa．conf文件由一些規(guī)則組成，用于配置Boa服務(wù)器，指定相應(yīng)端口，服務(wù)器名稱，一些相關(guān)文件的路徑等。Boa服務(wù)器要想正確運(yùn)行，必須保證該文件是正確配置的，而且該文件和某些靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)，CGI可執(zhí)行程序等都放于某特定目錄下。
(4)把boa-0．94．13／sre下編譯出的boa可執(zhí)行程序復(fù)制到根文件系統(tǒng)的／usr／bin目錄下，把修改過(guò)的配置文件boa．conf復(fù)制到開發(fā)板的／etc／boa目錄下，并將一些靜態(tài)頁(yè)面放在由boa．conf指定的目錄下。
(5)重新編譯根文件系統(tǒng)。把根文件系統(tǒng)下載到硬件電路板上。
在硬件電路板上運(yùn)行嵌入式Web服務(wù)器Boa，通過(guò)瀏覽器就能訪問系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的網(wǎng)頁(yè)。
3．4 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的核心是一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器，其應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)包括網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)和CGI應(yīng)用程序設(shè)計(jì)兩部分。
(1)網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)：網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)采用設(shè)計(jì)工具Dreamweaver，F(xiàn)rongtPage等來(lái)實(shí)現(xiàn)。
(2)CGI應(yīng)用程序設(shè)計(jì)：采用C語(yǔ)言來(lái)編寫CGI應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)外部實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采樣、與家電設(shè)備的通信與控制等。CGI技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)瀏覽器與嵌入式Web 服務(wù)器的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交互。CGI程序保存在嵌入式Web服務(wù)器端。在用戶端打開HTML頁(yè)面，點(diǎn)擊HTML頁(yè)面上設(shè)備的控制按鈕，就會(huì)通過(guò)Internet 把用戶請(qǐng)求送到嵌入式Web服務(wù)器中，服務(wù)器接收用戶請(qǐng)求并交給CGI程序處理，實(shí)現(xiàn)用戶的功能需求，這就做到了通過(guò)對(duì)HTML頁(yè)面上相應(yīng)設(shè)備的點(diǎn)擊實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

4 結(jié)束語(yǔ)
該系統(tǒng)硬件采用ARM9 S3C2440 微處理器作為控制核心，軟件采用linux-2.6.31內(nèi)核作為系統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)，采用Boa作為嵌入式Web服務(wù)器，結(jié)合以太網(wǎng)通信技術(shù)和 GPRS無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)家庭環(huán)境的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、安防自動(dòng)報(bào)警和對(duì)家電設(shè)備遠(yuǎn)程控制的功能。本監(jiān)控系統(tǒng)具有較大的實(shí)用價(jià)值，未來(lái)的發(fā)展空間非常大，能夠使人們生活得更加舒適安全。