（控制理论与控制工程专业论文）智能家居监测与控制终端的研究与设计.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 近年来智能化成为当前家居发展的方向，即智能家居，其利用先进的计算机 技术、网络通信技术、自动化技术，将与家居生活有关的各种子系统有机的结合 在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。 智能家居监测和控制系统的核心是智能家居控制终端，通过该终端使系统 可以完成信息采集、信息输入、逻辑处理、信息输出、自动控制等过程。 目前常用的智能家居控制终端大多由8 位单片机构建，存在很多缺点，如运 行速度慢，接口资源少等。为适应智能家居发展趋势，本课题提出了基于 $ 3 c 2 4 1 0 a 芯片和l a c o s i i 嵌入式实时操作系统的智能家居控制终端结构，突破 了利用8 位单片机构建终端所受到的种种限制，不仅符合当前系统功能的设计要 求，保证了系统的可靠性和稳定性，而且还为系统进一步发展打下基础。 本课题所设计的智能家居控制终端以嵌入式实时操作系统i _ t c o s i i 为平台， 采用目前比较成熟的a r m 9 芯片作为c p u ，集成了1 0 m 1 0 0 m 以太网接口、公共 电话网络接口、r s 4 8 5 接1 2 1 、1 5 路报警检测口等。通过本设计，在p c o s i i 平台 上实现系统安全防范、电器联动控制、电话远程控制与报警、因特网远程控制与 监视、家庭娱乐、小区信息服务等功能。 本文首先通过介绍智能家居控制终端的组成、功能及设计原则，对比嵌入式 系统平台的内核特点和发展趋势，提出了采用性价比高、低功耗、高性能的a r m 9 芯片$ 3 c 2 4 1 0 a 作为控制核心；然后对智能家居控制终端的主要硬件部分进行了 扩展设计。 本文所设计的智能家居控制终端系统应具有实时性、多任务、高可靠性等优 点，而传统操作系统的开发从编程到处理性能上已经不能满足当前系统使用的研 发要求，故本课题提出了采用目前稳定性好、可靠性高的嵌入式实时操作系统 l a c o s i i 。通过介绍p c o s i i 的特点和内核结构，结合i t c o s i i 系统的移植条件， 最后成功将i t c o s i i 移植到智能家居控制终端i 拘c p u ( s 3 c 2 4 1 0 a ) 上，作为软件 开发平台。 通过介绍智能家居控制终端的软件规划，结合该终端的硬件设计，在 山东大学硕士学位论文 l a c o s i i 软件开发平台下设计开发了相关应用软件程序。其中，主要所做的工作 是：突破i p v 4 地址资源匮乏的瓶颈，即在a r m 硬件平台和实时操作系统的基础 上，使用了相对比较完整的t c p i p 协议，并对其进行改造，在协议栈z l g i p 中 增加了i p v 6 协议选项，为其在i p v 6 网络上使用提供了技术支持。 智能化家居系统的外部通信总线在早期主要是通过电话网来实现的。由于电 话网的带宽限制和较高的使用费用，使得智能化家居系统不能被普遍和有效使 用。为了解决这一问题，本文在智能家居控制终端系统上采用以太网和公共电话 网与外界交换信息，较之单纯以电话网一种方式，不仅能够满足智能家居控制终 端的通信要求，保证系统的实时性，而且降低了使用成本。 关键词：智能家居控制终端；$ 3 c 2 4 1 0 a ；g c o s i i ；以太网；r s 4 8 5 n 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r ss m a r th o m eh a sb e c o m et h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fh o m e i t u s e sa d v a n c e dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , a u t o m a t i o n t e c h n o l o g y , w o r k sw i t hh o m el i f eo ft h eo r g a n i cs e e ds y s t e m sc o m b i n e d ，t h r o u g h c o - o r d i n a t et h em a n a g e m e n t ，s ot h a th o m el i f em o r ec o m f o r t a b l e ，s a f ea n de f f e c t i v e s m a r th o m e st e r m i n a li st h ec o r eo ft h es m a r th o m es y s t e m t h r o u g ht h e t e r m i n a l ，t h es y s t e mc o m p l e t e si n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n ，i n f o r m a t i o ni 1 1 p u t ，l o g i c p r o c e s s i n g ，i n f o r m a t i o no u t p u t ，a u t o m a t i cc o n t r o l ，e t e c u r r e n t l ya l o to fs m a r th o m e st e r m i n a l sa l ec o n s t r u c t e db y8 一b i tm c u ，t h e r e a r em a n ys h o r t c o m i n g s ，s u c ha ss p e e ds l o w , l i t t l ec o n n e c t i n gr e s o u r c e se t c i no r d e rt o m e e tt h ed e v e l o p m e n tt r e n do fs m a r th o m e ，t h i st h e s i sp u t sf o r w a r d $ 3 c 2 410 ac h i p 谢t ht h ee m b e d d e dr t o s ( p c o s - i i ) i nt h es y s t e m i to v e r c o m e st h el a c ko ft h e8b i t c p us y s t e m i tn o to n l yc a nb ei nk e e p i n g 晰t 1 1c u r r e n tt h ed e s i g nr e q u e s to ft h e s y s t e mf u n c t i o n ，e n s u r i n gs y s t e mr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t y ，b u ta l s oc a nl a yt e c h n i q u e f o u n d a t i o nf o rt h es y s t e mf u r t h e rd e v e l o p m e n t t h i st h e s i sd e s i g n sal ( i n do fs m a r tt e r m i n a lt h a ta d o p t sl a c o s i ia st h es o f t w a r e d e v e l o pp l a t t h ea r m 9c h i pi sa d o p t e da sc p u t h es m a r tt e r m i n a li n c l u d e s10 m 10 0me t h e r n e tc o n n e c t ，p s t nc o n n e c t ，r s 一4 8 5c o n n e c t , 15d c f c n c er o a d ，e t c a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n ，t h ef a m i l y ss m a r tt e r m i n a ls y s t e mc a nc a r r yo u tt h ef a m i l y d e f e n c e ，t h es y n c h r o n o u sa c t i o n ，t h ed i s t a n ts u r v e i l l a n c ea n dc o n t r o lb yt e l e p h o n eo r i n t e m e t ，t h ef a m i l ya m u s e m e n t ，t h ei n f o r m a t i o ns e r v i c ee t c f i r s tt h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h ec o m p o s i t i o n , f u n c t i o n sa n dd e s i g np r i n c i p l e so f t h es m a r th o m e st e r m i n a la n dc o m p a r e st h ec o r ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd e v e l o p m e n t t r e n d so fr t o s t h i st e x tp r o p o s e st ou s ea r m 9c h i p 一$ 3 c 2 4 1 0 aa st h ec o n t r o lc o r e t h a ti sc o s t e f f e c t i v e ，l o w p o w e r ，h i g h - p e r f o r m a n c e a n dt h e n ，t h i st e x td e s i g n st h e e x p a n s i o no ft h es m a r tt e r m i n a l sh a r d w a r e t h es m a r th o m es y s t e mo ft h i sa r t i c l es h o u l dh a v er e a l - t i m e ，m u l t i t a s k i n g ，h i g h r e l i a b i l i t y ，e t c b u tt r a d i t i o n a lo p e r a t i n gs y s t e mc a nn ol o n g e rm e e tt h er e q u i r e m e n t so f i i i 山东大学硕士学位论文 t h ec u r r e n ts y s t e m t h i st h e s i sp u t sf o r w a r dt ou s ee m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n g s y s t e m ( 1 a c o s - i i ) t h a ti sg o o ds t a b i l i t ya n dh i g hr e l i a b i l i t y b yi n t r o d u c i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ec o r es t r u c t u r eo fp c o s i i ，c o m b i n e d 、i t lt r a n s p l a n t a t i o n c o n d i t i o n so fp c o s i i ，f i n a l l y ，p c o s i ii st r a n s p l a n t e dt o $ 3 c 2 4 1 0 at h a ti st h e s m a r tt e r m i n a l sc p u ，a st h es o f t w a r ed e v e l o p p l a t b a s e do nt h eh a r d w a r ed e s i g n i n go ft h es m a r th o m e st e r m i n a l ，v a r i o u s a p p l i c a t i o np r o g r a m sa r ed e s i g n e di nt h es o f t w a r ed e v e l o pp l a to f “c o s i i a m o n g t h e m ，t h em a i nw o r ki s ：b r e a k i n gt h er e s t r i c t i o no ft h ei p v 4a d d r e s s t h a ti s ，t h e s y s t e mu s e sm o r ec o m p l e t ee m b e d d e di ps t a c kz l g i p ，r e f o r m st h ee m b e d d e d t c p i ps t a c ka n da d di p v 6a sao p t i o n a li t e mi nz l g i ps t a c k i tp r o v i d e st e c h n i c a l s u p p o r ti ni p v 6n e t w o r k s i nt h ee a r l y ，t h es y s t e m se x t e r i o rb u si sa c h i e v e dm a i n l yb yp s t n b e c a u s eo f b a n d w i d t hl i m i t a t i o n sa n dh i g h e rc o s t so fp h o n en e t w o r k ，s m a r th o m e ss y s t e mc a n n o tb eu s e du n i v e r s a l l ya n de f f e c t i v e l y i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，t h es y s t e mo f t h i st e x tu s e st h ef a m i l ye x t e r i o rb u st h a ti n c l u d e st h ee t h e m e ta n dp s t n c o m p a r i n g o n l yw a yp s t n ，i tn o to n l yc a ne n s u r et h es y s t e mr e a lt i m e ，b u ta l s oc a nl o w e ru s i n g c o s t k e y w o r d ：s m a r th o m e st e r m i n a l ；$ 3 c 2 410 a ；l t c o s i i ；e t h e m e t ：r s 一4 8 5 i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：二峨日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：店名笋牟导师签名：圈她基一日期：坐社 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来兴起的现代高科技和信息技术正逐步进入家庭，结合现代化的服务与 管理方式给人们提供一个安全、舒适的生活环境空间。国外出现了网络房屋，出 现了与虚拟社区相对应的网络社区，国内智能小区的建设也十分火爆，这其中的 最基本单元就是智能家居【l 】。 早期智能家居系统的外部通信总线主要是通过电话网来实现的，其带宽限制 和较高的成本使得智能家居系统不能被普遍和有效使用。 数字技术的不断发展和成熟，使得广播、计算机、通信三者不断相互渗透； 半导体技术的发展特别是高速c p u 和存储器的出现，使信息的收集、处理变得越 来越快；电脑电视和信息家用设备的诞生使得一种适合多媒体业务的智能家居控 制终端成为可能。同时，现代嵌入式系统的飞速发展也给这些需求的实现能以低 成本、快速的方式得以解决 2 1 。 随着因特网的广泛使用，通过因特网对家电设备和安防设备进行远程监测和 控制成为智能家居开发的热点。因此，利用以太网作为智能家居终端系统的主要 外部通信总线是适应技术发展和市场需求的。 1 2 研究现状和发展趋势 在家居智能化的发展过程中，美国一直处于世界领先水平，其次是欧洲和日 本。家庭总线技术( h b s ) 的许多标准业已成熟并已在信息家电中得到实际应用， 如美国的x 1 0 、c e b u s 和l o n w o r k s 标准，欧洲i 拘b a t i b u s e i b 和e u r o p eh o m e s y s t e m 标准，日本的h b s 标准以及一些工作组发布的互操作和接口规范。但是这 些标准都是根据本国的情况制定的，不太适合中国的情况。国内一些企业也在积 极推动家庭内部总线标准的制定，但是至今国内还没有统一的家庭总线标准，这 阻碍了智能家居终端的开发与研究1 3 】。 目前，国内智能家居终端常用的家庭内部总线形式可分为三种：采用国外 山东大学硕士学位论文 标准如x - l o 、c e b u s 等；采用无线网络如红外、蓝牙等；采用有线网络， 如l o n w o r k 、c a n 、4 8 5 等。其中应用比较广泛的是有线网络，其具有通信稳定、 技术成熟以及成本较低等优点 4 1 。 近年来，以美国微软公司及摩托罗拉公司等为首的一批知名企业也先后进入 家居智能化网络的研究及开发领域，分别开发了“梦幻之家、“家庭主任 、“居 所之门等家庭网络产品。但现有系统在操作方式及方便使用方面离用户的要求 还有一定差距，问题主要表现在：家居内部各个部分的通信协议不同难以构成一 个统一的家居网络系统( 即网络集成问题) ；无法在应用层为用户提供方便统一 的使用界面( 即互操作性问题) ；现在因特网采用的i p v 4 技术使得基于因特网的 智能家居终端的使用面临i p 地址资源枯竭的限制。各种原因延缓了相关市场的普 及和家居网络化的进程。 国内厂商也在进行家居智能化产品的研发和生产，一些大型i t 企业用自身在 资金与技术等方面的优势，在低端产品市场上已占据了相当重要的地位。一些传 统家电业的巨头也开始进入家居智能化产业市场。然而由于国内的研发从二十世 纪九十年代后期才起步，整体水平参差不齐，软件功能较差，升级能力欠缺，如 无法移植操作系统和较完整的i p 协议，难以保证数据传输的实时性和大数据量可 靠通信等【训。 而随着删技术的日益成熟和成本的降低，利用3 2 位c p u + i 汀o s ( 实时操 作系统) 的智能家居控制终端方案必将成为未来研发的热点。 1 3 研究内容及创新点 本论文研究的内容是利用a r m 9 2 0 t 芯片构建一个智能家居控制平台。在此 平台上实现远程监视和控制、家庭内外信息交换等功能。 研究包括的主要内容有： ( 1 ) 将嵌入式实时操作系统g c o s i i 移植到智能家居控制终端$ 3 c 2 4 1 0 a z ； ( 2 ) 改造嵌入式t c p i p 协议栈，增加可选i p v 6 协议； ( 3 ) 结合智能家居控制终端的硬件设计，完成各种相关软件设计； ( 4 ) 完成智能家居控制终端的整机调试，实现预想的各种功能。 2 山东大学硕士学位论文 本设计具有以下几个主要创新点： ( 1 ) 适应智能家居发展趋势，提出了基于$ 3 c 2 4 1 0 a 芯片和i t c o s i i 嵌入实 时操作系统的智能家居控制终端结构，突破了利用8 位单片机构建智能家居控制 终端所受到的种种限制，如运行速度慢，接口资源少等限制，不仅符合当前系统 功能的设计要求，保证了系统的可靠性和稳定性，而且还为系统进一步发展打下 基础： ( 2 ) 在a r m 硬件平台和实时操作系统的基础上，使用相对比较完整的 t c p i p 协议，并对其进行改造，在协议栈z l g i p 中增j j l z l l p v 6 协议选项，为其在i p v 6 网络上使用提供了技术支持，以突破i p v 4 地址资源匮乏的瓶颈； ( 3 ) 在智能家居控制终端系统上采用以太网和公共电话网与外界交换信息， 较之单纯以电话网一种方式，不仅能够满足智能家居控制终端的通信要求，保证 系统的实时性，而且降低了使用成本。 1 4 本章小结 本章主要介绍了课题背景、研究现状及发展趋势、智能家居终端的组成及功 能和本课题的内容与特点。 山东大学硕士学位论文 第二章嵌入式智能家居监控终端体系结构与硬件设计 2 1 嵌入式系统简介 2 1 1 嵌入式系统的基本概念和组成 ( 1 ) 嵌入式系统一般指非p c 系统，有计算机功能但又不称之为计算机的 设备或器材。它是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。 简单地说，嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体，具有软件代码小、高度 自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系，如掌上 p d a 、电视机顶盒、微波炉、数字相机、家庭自动化系统、电梯、空调、工业 自动化仪表与医疗仪器等。 ( 2 ) 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统及 应用软件系统等组成，它是可独立工作的“器件。 嵌入式系统的硬件部分，包括嵌入式处理器、存储器及外设器件和i o 端口、 图形控制器等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样 大容量的存储介质，而大多使用e p r o m 、e e p r o m 或闪存( f l a s hm e m o r y ) 作 为存储介质。软件部分包括操作系统软件( 要求实时和多任务操作) 和应用程 序编程。 其中，嵌入式处理器可以分为4 种类型：嵌入式微处理器( e m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o ru i n t ，e m p u ) 、嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e r u n i t ，m c u ) 、 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) 、嵌入式片上系 统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 。本课题在智能家居控制终端上使用的c p u 芯片 $ 3 c 2 4 1 0 a 属于微控制器类型的芯片。 2 1 2 嵌入式系统的基本特征嘲 ( 1 ) 系统内核小。嵌入式系统一般是用于完成特定功能的小系统，出于成 本、体积等方面的考虑，系统资源相对有限，其内核相对于通用操作系统要小得 4 山东大学硕士学位论文 多。 ( 2 ) 专用性强。由于嵌入式系统只用于完成某种特定的功能，必须针对不 同的应用任务，对嵌入式系统所使用的开发原型系统进行必要的软硬件裁剪，使 之满足系统的专用性需求，即嵌入式系统是专用的计算机系统。 ( 3 ) 实时性需求。许多嵌入式系统都有实时性需求，特别是在语音通信、 自动检测与控制等方面都有不同程度的实时性需求。例如在航空、航天等系统中， 为了实现较高的自动化控制，必须使用实时嵌入式系统，即在给定的时间阂内系 统必须作出响应，否则会导致系统性能下降或系统失效。 ( 4 ) 网络化。随着嵌入式系统的应用日益广泛，实时网络、嵌入式w e b 成 为现代嵌入式系统的研究热点和重点。 2 2 嵌入式智能家居系统控制终端 在现代家庭中，家居设备的体积是必须考虑的因素，如果在家中安装许多庞 然大物，则会让用户感到相当不便。利用现代嵌入式系统的特点，完全可以使用 嵌入式系统来组建现代智能家居系统，相对于传统使用普通p c 来实现家庭服务 器或家庭网关来说，嵌入式系统服务器和网关体积小，占地少，可以嵌在墙内。 2 2 1 智能家居控制终端的组成 图2 1 智能家居终端的组成结构图 山东大学硕士学位论文 如图2 1 所示，整个系统由以太网、公共电话网( p s t n ) 、r s 4 8 5 三种网 络组成。其中以太网与公共电话网构成智能家居终端系统的外部通信通道，4 8 5 构成家庭内部通信通道。同时智能家居终端还带有安全防范和音视频切换扩展 口。 2 2 2 智能家居控制终端的功能 该智能家居终端的主要功能有：安全防范、电器联动控制、电话控制与报警、 因特网远程控制和监视、家庭娱乐、小区信息服务 6 1 。 ( 1 ) 安全防范 智能家居终端的安全防范功能有以下三种形式： 第一种是防区报警，系统可以有1 5 路防区，这些防区可以与烟感、红外、破 碎、门磁等传感器相连。 第二种是按键报警，报警按键在智能键盘上，用户在碰到紧急情况时可以向 相关单位紧急求助。 第三种是门禁，特别适用于用户不在家时。用户出门时关闭房门之后，按下 门禁设备的布防按钮，可以对房间内的各个防区进行布防；用户回家时，可以通 过门禁实现密码或刷卡开门，当校验通过后房门打开，同时智能终端自动取消布 防。 上述几种报警情况发生后，系统会自动识别报警类型，并通过电话和网络将 报警信息发出。此时小区管理系统或用户手机将显示报警类型和报警防区，用户 也可以通过因特网登陆智能家居终端查看警情。 ( 2 ) 电器联动控制 经过键盘设置以后，智能家居控制终端会根据用户设置的要求实现对家用电 器设备的自动控制和远程控制。比如对电表、水表和煤气表用量进行自动数据采 集、计量，并将采集结果传送给小区物业管理系统。 ( 3 ) 电话远程控制与报警 用户可以通过拨号连接到智能家居控制终端，智能终端经过分析得到需要控 制的设备地址与要求设备所执行的动作，同时将设备的实时状态返回到智能终 端。智能终端记录设备的状态，以供用户查询。如果家庭内部发生报警情况，智 山东大学硕士学位论文 能终端将报警信息通过电话通知用户。 ( 4 ) 因特网远程控制与监视 用户在任意台连接到因特网的网络终端上，打开w i n d o w si e ，输入相关i p 地址和密码，就可以看到智能家居控制终端上的w e b 页。在w e b 页上可以查看家 庭内部网络上各种设备的状态以及报警情况，并且可以远程控制改变某些设备的 状态。 ( 5 ) 家庭娱乐 智能家居控制终端连接各种娱乐性家用电器，如高清晰度电视机、d v d 、 音响等，实现家庭内部所有音视频设备在位置不变的前提下完全共享，交叉使用， 使家庭生活更加舒适和方便。 ( 6 ) 小区信息服务 小区管理中心可以将一些有用信息，如小区公告、天气预报等，发送到用户 的智能家居控制终端上。用户也可以通过室内键盘发送相关信息到小区管理中 心，以获得相应的物业服务。 2 2 3 智能家居控制终端的设计原则 ( 1 ) 软硬件设计应考虑未来可升级性，避免短期内因技术陈旧造成整个系统性 能不高和过早淘汰。 ( 2 ) 系统应操作方便，适应不同层次用户的需要，具有实用性和兼容性。 ( 3 ) 计算机网络应具有开放性，并提供标准接口，并且可根据用户需求，对系 统进行拓展或升级忉。 2 3 智能家居控制终端硬件开发平台的选择 开发平台的选择依据是最大限度地满足目标系统的功能需求。本课题研究的 目标是实现用嵌入式实时操作系统c o s i i 来解决智能家居系统监控终端问题。 同时，在处理器速度、处理能力、价格、实时性需求等方面也是考虑的重点；安 全报警系统必须要保证实时、安全、可靠，一旦有意外，能够及时地进行报警并 处理事故，如及时切断煤气阀、断开电源等。 7 山东大学硕士学位论文 目前嵌入式系统平台市场上的主导产品都是基于a r m 7 或a r m 9 架构的， 一般都认为a r m 7 属于低端产品、a r m 9 属于高端产品，也出现了所谓的 “a r m 7 & a r m 9 覆盖高端& 低端的教学平台 。宣传“两套c p u 子板都是可以 自由插拔，一套实验系统变化为两套，a r m 7 的实验系统可以实现基础的a r m 嵌入式教学，主要包括指令实验，基础接口实验， p c o s i i 操作系统实验和 u c l i n u x 操作系统实验；a r m 9 的实验系统可以实现高端的a r m 嵌入式教学， 主要包括扩展接口实验，l i n u x 操作系统实验和w i n c e 操作系统实验。 这种观点有误导用户的嫌疑。因为a r m 9 和a r m 7 同属于a r m v 4 1 ，是属 于中低端系列的a r m 微处理器。目前市场上真正高端的a r m 架构处理器是与 a r m v 5 t e 体系兼容的i n t e lx s c a l e ，如p x a 2 5 5 和p x a 2 7 0 。 从嵌入式系统平台的发展来看，未来会形成两个发展方向。即一方面向高端 的x s c a l e 系列发展，主要面向计算机、软件等专业，这一类高端平台具有强大 的计算能力和多媒体功能，开发研究内容侧重于操作系统、驱动程序和软件应用， 培养消费电子、手持设备、无线网络、手机游戏等领域的嵌入式软件人才；另一 方面就是a r m 7 a r m 9 系列的中低端平台，主要面向电子工程、自动化、仪器 仪表等专业，这类平台具有丰富的接口和功能，开发研究内容侧重于微处理器接 口设计、驱动开发和系统应用，培养工业自动化、测控、智能仪表等应用领域的 嵌入式技术人才。 宣称采用两种c p u 子板的方式，实现a r m 7 & a r m 9 的功能，是完全没有 必要的，而且增加了用户的成本和维护的复杂性。其主要原因如下： ( 1 ) a r m 9 的指令集完全兼容a r m 7 。 ( 2 ) 目前操作系统的教学中大都采用g c o s i i 或l i n u x 。“c o s i i 代码简单， 易教易学，l i n u x 功能强大，但对学习者的基础要求较高。目前市场上大多a r m 7 平台都支持g c o s i i 或u c l i n u x ，a r m 9 基本上都支持l i n u x 和w i n c e 。但 i _ t c o s i i 不是a r m 7 的专利，在a r m 9 上完全可以运行。而u c l i n u x 是l i n u x 的个子集，无论是从开发着者的角度还是从教学的角度去理解，l i n u x 系统可 以完全兼容u c l i n u x 的应用。 由此可见，仅仅一个a r m 9 平台就可以同时满足操作系统中低端开发研究 的需求。 8 山东大学硕士学位论文 经过综合比较和分析，本课题智能家居监控终端的c p u 选用了s a m s u n g 公 司的带a r m 9 2 0 t 核的芯片：$ 3 c 2 4 1 0 a 引。 a r m 9 2 0 t 是a r m 公司系列微处理器核的一种，它采用5 阶段管道化技术， 同时配备了t h u m b 扩展、e m b e d d e di c e 调试技术和h a r v a r d 总线。在生产工艺 相同的情况下，性能可达a r m 7 t d m i 的2 倍以上。s 3 c 2 4 1 0 a 是三星公司推出 的1 6 3 2 位r i s c 微处理器，它是为应用于小型掌上设备和高性价比、低功耗、 高性能的嵌入式系统应用而提供的微控制解决方案，以其强大的功能和高性价比 在目前嵌入式产品中得到了广泛的应用。下面简单介绍一下$ 3 c 2 4 1 0 a 的特点。 $ 3 c 2 4 1 0 a 集成了一个l c d 控制器( 支持s t n 和t f t 带有触摸屏的液晶显 示屏) 、s d r a m 控制器、3 个通道的u a r t 、4 个通道的d m a 、4 个具有p w m 功能的计时器和一个内部时钟、8 通道的1 0 位a d c 。$ 3 c 2 4 1 0 a 还有很多丰富 的外部接口，例如触摸屏接口、1 2 c 总线接口、1 2 s 总线接口、两个u s b 主机接 口、一个u s b 设备接口、两个s p i 接口、s d 接口和m m c 卡接口。在时钟方面 s 3 c 2 4 1 0 a 也有突出的特点，该芯片集成了一个具有日历功能的r t c 和具有 p l l ( m p l l 和u p l l ) 的芯片时钟发生器。m p l l 产生主时钟，能够使处理器工作 频率最高达到2 0 3 m h z 。这个工作频率能够使处理器轻松运行w i nc e 、l i n u x 等操作系统以及进行较为复杂的信息处理。 $ 3 c 2 4 1 0 a 芯片相关数据： 2 0 3 m h z a r m 9 2 0 t 内核，o 1 8 u m 工艺，超低功耗，2 7 2p i nb g a 封装 带m m u ，1 6 k b 指令缓存，1 6 k b 数据缓存 1 8 v 内核电源，3 3 vi o 电压，兼容1 8 ，2 5 ，3 3 v 内存电压 内含s d r a m 控制器 1 1 7 个g p i o ，2 4 个外部中断 内置l c d 控制器，可接真彩色，大屏幕t f t 液晶 丰富的外部接口：4 通道d m a ，3 个串口，一个s p i 口，一个i i c 接口， 一个u s bd e v i c e 口，一个u s bh o s t 口 8 通道l o b i t a d ，4 通道p w m 输出 内置r t c ，p l l 内置s d ，m m c ，s m a r tm e d i a 等存储卡接口 9 山东大学硕士学位论文 支持从s m a r t m e d i a ( n a n df l a s h ) 中启动系统 由上述特性可以看出$ 3 c 2 4 1 0 a 具有高性能、低功耗、接口资源丰富的特点，这 些特点正是智能家居控制终端设计所需要的。 2 - 4 智能家居控制终端的硬件扩展设计 结合智能家居控制终端的组成、功能和设计原则，给出了如图2 2 所示的智 能家居控制终端硬件结构示意图。由图可以看出智能终端的硬件扩展设计包括存 储器、报警模块、音视频切换模块、语音模块以及以太网、r s 4 8 5 、公共电话网 等3 个异构网络接口的扩展。下面对主要的硬件扩展电路进行了设计。 e e p r o m ll s r a m a t 2 4 w c 0 2lli s 6 1 l v 3 2 1 6 音视频模块li 报警模块 图2 2 智能家居控制终端硬件结构示意图 2 4 1 存储电路扩展设计 ( 1 ) s r a m 的扩展 $ 3 c 2 4 1 0 a 提供的4 k 的s r a m 无法满足系统的需求，因为“c o s - i i 操作系统 对s r a m 的需求是1 0 k 左右，z l g i p 协议对s r a m 的需求也在1 0 k 以上，因此需 要外扩s r a m 存储器。在本项目中采用t i s 6 1 l v 3 2 1 6 作为s r a m 芯片，扩展电路 如图2 3 。 1 0 凳一三一 山东大学硕士学位论文 u o 1 n c曾 筹等 a 1 42 j j 334 2a 2 刖24 省：尝f 4 1 l5 省；黑 一- i n t d 6 比t罢l 廿n 9 j o ， 脚73 8d 1 5 ：a 3d l81 = 竺：f 3 7d 1 4 二 t t v 比y t u i j l f - v 髓1 03 5d 1 2 l l i ，c bi ，0 1 2 1 2 cg n d 3 4 ( j 3 1 3 w c 3 3 1 0 4 1 4 c i lf o l l 3 2d l l 1 5 0 5i ，o l o 3 1d 1 0 d i 1 6 l ，0 6i 0 9 3 0c | 9 = 1 7 l ，0 7i ，馐 2 9c 8 i o1 8 ，ek 2 8 a 91 9 a 1 0a 3 2 7a 3 a 82 0 a 9a 4 2 6a 4 a 72 l a 8a 5 2 5a 5 a 7 a 6 2 4a 6 2 22 3 kk 岱6 l l 、0 z l d l 图2 3 内存扩展图 i s 6 1 l v 3 2 1 6 是个高速、5 1 2 k 静态r a m ，可组成3 2 7 6 8 个1 6 位字。该器件 是由i s s i 高性能c m o s 技术制造而成，具有高性能低功耗的特点。图中 i s 6 1 l v 3 2 1 6 的端口i 0 0 一i 0 1 5 与$ 3 c 2 4 1 0 a 的数据线d 0 - d 1 5 连接。端1 3 a o a 1 4 与$ 3 c 2 4 1 0 a 的地址线a l a 1 5 相连，c p u 与存储器交换数据是以1 6 位字来进行 的。芯片由输入使能c e 和输出使能实现存储器的控制操作。当o e 为高电平时， 器件处于等待模式。低电平有效的写使能( 眦) 控制着存储器的读写操作。低 字节( 三b ) 和高字节( u b ) 控制信号控制着对数据字节的访问【9 1 。 ( 2 ) e e p r o m 的扩展 智能家居终端上的一些重要参数，需要在系统掉电的情况下保留，这就需要 在智能家居终端上扩展e e p r o m 。根据系统需要的存储空间，在智能终端上采用 a t 2 4 w c 0 2 作为系统的e e p r o m 。扩展电路图如图2 4 。 a t 2 4 w c 0 2 是一个2 k 位串行c m o se e p r o m ，内含2 5 6 个8 位字节，有一个 1 6 字节页写缓冲器，通过4 0 0 k h z 的1 2 c 总线操作，并具有写保护功能。图中器件 地址输入端a 0 、a 1 、a 2 与v s s 端相连，表明没有多个器件级连，器件的默认地 址为0 。写保护引脚w p 与v s s 相连，表明器件可以进行正常的读写操作，没有 写保护。串行时钟引脚s c l 与串行数据地址引脚s d a 分别与$ 3 c 2 4 1 0 a 的1 2 c 接口 引脚p 0 2 与p 0 3 相连【1 0 1 。 山东大学硕士学位论文 图2 4a t 2 4 w c 0 2 扩展图 2 4 2 以太网接口硬件电路设计 2 s 包 3 躅a 以太网的底层实现是由以太网控制器来负责的，目前比较常用的1 0 m b p s 嵌 入式以太网控制芯片有r t l 8 0 1 9 a s 、c s 8 9 0 0 等，在本系统的智能家居终端上采用 r t l 8 0 1 9 a s 作为以太网控制芯片。 r t l 8 0 1 9 a s 是一种高度集成的以太网控制芯片，能简单的实现p l u ga n dp l a y 并兼容n e 2 0 0 0 、掉电等特性。在全双工模式下，如果是连接到一个同样是全双 工的交换机和集线器，就可实现同时接收和发送，这样在执行以太网的c s m a c d 协议时，可以避免更多冲突的发生。p l u ga n dp l a y 功能可以减轻用户资源配置( 如 i r q 、i oa d d r e s s 等) 的工作量。而为了对一些不支持p l u ga n dp l a y 的器件兼容， r t l 8 0 1 9 a s 还可以选择跳线模式和非跳线模式1 1 - 1 3 】。 智能家居终端上r t l 8 0 1 9 a s 的扩展电路图如图2 5 。而r t l 8 0 1 9 与$ 3 c 2 4 1 0 a 的连接关系在表2 1 。 由图2 5 与表2 1 可以看出，r t l s 0 1 9 a s 使用$ 3 c 2 4 1 0 a 的外部存储控$ i j b a n k 3 部分，而r t l 8 0 1 9 a s 的i o 地址为0 x 0 0 3 0 0 o x 0 0 3 1 f ，所以r t l 8 0 1 9 a s 在s a 8 = i 、 s a s = 0 的时候，其数据地址为0 x 8 3 4 0 0 0 0 0 一o x 8 3 4 0 0 0 1 f 。n e tr s t 为$ 3 c 2 4 1 0 a 输出引脚，r t l 8 0 1 9 a s 中断信号i n t o 为中断输入信号，并且是外部中断信号。 r t l s 0 1 9 a s 的s d 0 s d l 5 串联了4 7 0 欧姆的电阻至m j s 3 c 2 4 1 0 a 的d o d 1 5 ，以改 善传输波形的质量，增加系统的稳定性。 1 2 山东大学硕士学位论文 图2 5r t l 8 0 1 9 a s 硬件扩展图 1 3 山东大学硕士学位论文 表2 1r t l s 0 1 9 a s 与$ 3 c 2 4 1 0 a 的连接关系 r t