（通信与信息系统专业论文）基于嵌入式平台的无线家庭网关设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着信息家电产业的快速发展和人们对生活品质要求的日益提高 传统概 念的家用电器已经无法满足现代人追求高品质生活的需要 而人们的高品质要 求都离不开家庭网络 嵌入式无线家庭网关是整个家庭网络系统的核心 它主 要实现数字家庭内部网络和公共网络的连接 为i n t e r n e t 接入 远程控制以及连 接家庭内部的异构子网提供了平台 由此这种结合嵌入式技术 短距离无线通 信技术的家庭网关成为了研究的重点和热点 本文分析了国内外信息家电产业的发展现状以及趋势 讨论了降低家庭网 关成本以适应市场需求的方法 研究了嵌入式无线家庭网关的软硬件构成 设 计并实现了基于2 4 g h z 短距离无线通信技术的嵌入式无线家庭网关的系统 还 讨论了无线通信的实现部分 为满足低成本和性能的要求 在硬件上系统采用低成本的3 2 位基于a r m 核的a t 9 1 s a m 7 x 2 5 6 芯片为主控芯片 无需外挂f l a s h 和s d r a m 用于存储 扩展 以太网p h y 层芯片选用了成本低且易于设计的r t l 8 2 0 1 b l 采用s t c 系列单片机和 r i 公司的c c 2 5 0 0 射频收发芯片 给出了一种低成本 低功耗的 可以用于室内环境的短距离无线传输转发控制以及状态信息的节点 本系统中 家庭内网与外部网络采用p s t n 或以太网进行通信 家庭网关与无线收发节点采 用r s 2 3 2 进行通信 无线收发节点与各个信息家电采用2 4 g h z 频段的无线网络 进行通信 系统软件设计中引用了嵌入式实时操作系统 t c o s i i 来提高系统的并发 性 改善系统的响应时间 在软件设计中 通过采用看门狗定时器 设置软件 陷阱和在通信协议中增加和校验来提高系统的健壮性 同时 基于i n t e m e t 技术 在嵌入式实时操作系统上移植了精简的t c p i p 协议 并在网关中存储了脱机网 页 使得家庭网关可以与外部i n t e m e t 通信并且为家庭内部提供w e b 服务 用户 可以在任何地方登录家庭网络界面 远程控制和监测自己家中的信息家电 关键词 无线家庭网关 嵌入式 信息家电 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ei n f o r m a t i o na p p l i a n c ei n d u s t r y m o d e mp e o p l e c h a s eh i g h e rq u a l i t yl i f e t r a d i t i o n a lc o n c e p to ft h ea p p l i a n c e sc a n tm e e tt h en e e dt h a t p e o p l ep u r s u i n gh i g h q u a l i t ym o d e ml i f e h o w e v e r t h e s er e q u i r e m e n t sc a nn o tb e s e p a r a t e df r o mh o m en e t w o r k a n de m b e d d e dw i r e l e s sh o m eg a t e w a yi st h ec o r eo f t h ew h o l eh o m en e t w o r ks y s t e m i t sm a j o rf i g u r ei st oc o n n e c tt h eh o m ei n t e r n a l n e t w o r ka n dp u b l i cn e t w o r kt o g e t h e r a n dp r o v i d eap l a t f o r mf o ri n t e r a c ta c c e s s r e m o t ec o n t r o l a sw e l la sc o n n e c t i n gt h eh e t e r o g e n e o u ss u b n e ti nt hh o u s e t h e nt h e g a t e w a yc o m b i n a t i o no fe m b e d d e dt e c h n o l o g y s h o r t r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yh a sb e c o m et h ef o c u so ft h es t u d y 啊1 ed o m e s t i ca n df o r e i g ni n f o r m a t i o na p p l i a n c e s a sw e l la st h ed e v e l o p m e n to f t h i si n d u s t r y st r e n di sa n a l y z e d t h er e d u c i n gt h ec o s to fh o m eg a t e w a yt om e e tt h e m a r k e td e m a n da p p r o a c hi sd i s c u s s e d t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o m p o s i t i o no f e m b e d d e dw i r e l e s sh o m eg a t e w a ya r ef o c u s e do n t h ee m b e d d e dw i r e l e s sh o m e g a t e w a ys y s t e m sa r ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e db a s e do nt h es h o r t2 4 g h zw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y a t 91s a m 7 x 2 5 6i ss e l e c ta sm a s t e rc h i pt om e e tt h el o wc o s ta n dt h e p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so nt h eh a r d w a r es y s t e m t h ef l a s h a n ds d r a ma r e a t n e e d e dt op l u gi nf o rs t o r a g ee x p a n s i o n r t l 8 2 01li sc h o s e na sp h y c h i p s t cs e r i e s s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e ra n dt i sc c 2 5 0 0r ft r a n s c e i v e rc h i pa r ec h o s e nf o r g i v i n gal o w c o s t l o wp o w e rc o n s u m p t i o ns o l u t i o no fw i r e l e s sn o d e n l cn o d ec a l lb e u s e di nt h ei n d o o re n v i r o n m e n tt ot r a n s m i tc o n t r o la n ds t a t u si n f o r m a t i o n i nt h i s s y s t e m h o m en e t w o r ka n de x t e r n a ln e t w o r kc o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e rb yp s t n o re t h e m e t 硼1 e g a t e w a y a n dw i r e l e s st r a n s c e i v e rn o d e u s i n g r s 2 3 2f o r c o m m u n i c a t i o n w i r e l e s st r a n s c e i v e rn o d e sw i t hv a r i o u si n f o r m a t i o na p p l i a n c e s u s i n g2 4 g h zb a n dw i r e l e s sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n 们1 ei t c o s i ii si n t r o d u c e dt ot h es o f t w a r et oi m p r o v et h ec o n c u r r e n c ya n dt h e r e s p o n s et i m eo ft h es y s t e m i ns o f t w a r ed e s i g n i ta l s oa p p l i e sw a t c h d o gt i m e r s o 士t a r et r a p 缌w e l la sa d d ss u m m a t i o nc h e c ki nt h ec o m m u i l i c a t i o n p r o t o c 0 1t o 1 m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e f u r t h e r m o r e b a s e d o ni n t e r n e tt e c h n o l o 烈a r e d u e e dt c p i pp r o t o c o l i s t r a n s p l a n t e di nt h ee m b e d d e dr e a l t i m c o p e r a t i n g s y s t e m a n dw e b s i t eo f f l i n e sa r es t o r e da tg a t e w a y w h i c he n a b l et h ep o s s i b i l i t yo f c o 蚴啪c a t i o nb e t w e e nt h eh o m eg a t e w a ya n de x t e r n a li n t e m e tn e 咖r k 棚w e b s e 1 c emaf a m i l yi sa l s oa v a i l a b l e t h e r e f o r e i ti sp o s s i b l ef o r u s e rt ol o gi nt h eh o s t w e b p a g e 伽 0 u 曲t h ew e bb r o w s e rw h e n e v e rh ei s t h u s r e m o t ec o n t r o lo na p p l i a l l c e i si m p l e m n e t e d k e yw o r d s w i r e l e s sh o m e g a t e w a y e m b e d d e d i n f b 肋a t i o na p p l i a l l c e i i i 独创性声明 本人声明 所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意 签名 燮e t 期 墨 圭 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留并向国家有关部门或j o t 构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部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 手段保存或汇编本学位论文 同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文 并向社会公众提供信息 服务 保密的论文在解密后应遵守此规定 一嗽磅 釉弓 细埘蚰 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 本章以本文研究的背景以及意义为出发点 对与本文相关技术以及产业发 展情况进行深入研究 并对在本文中选用2 4 g h z 频段作为家庭内无线组网方案 进行了分析说明 最后给出了本文的主要工作 1 1 本课题的研究背景及意义 随着网络经济的发展 人们越来越追求生活细节简单和舒适 希望在日常 生活家居中都加入各种智能设备 享受躺在床上就可以用遥控终端进行控制的 简单日常生活 无线通信技术和网络技术的发展为这种需求提供了可能 嵌入 式无线家庭网关属于智能家居系统的一部分 它是将各种家用设施 比如照明 家电等 通过无线网路进行互联并且提供接入外部网络的功能 使家居生活更 加惬意 嵌入式无线家庭网关的接入功能主要是用来实现家庭内部无线网络和公共 网络的连接 目前 接入公共网络的方式有很多 如a d s l 以太网 电力线 有线电视电缆 光纤等 同时 嵌入式家庭网关也需要集成多种内部网络连接 技术 比如 r s 4 8 5 总线 以太网 c a n 总线 l o n w o r k s 总线 无线以太网 蓝牙等 可以通过电力线 双绞线 同轴电缆 无线等多种方式接入家庭网络 中的智能设备 其他的不能满足家庭网络标准的设备则通过i e e e l 3 9 4 x 1 0 等 接口接到一台转换设备连接到家庭网络中 嵌入式家庭网关的业务功能需要完 成部分公共网络接入到家庭中的业务 l 家庭网络中一般存在娱乐 通信和控制等业务 对于娱乐和控制类业务 主要需要家庭网关做桥接 控制点或者转发 对于通信类业务 需要家庭网关 具备控制信令交换和编解码功能 嵌入式家庭网关管理功能包括日程管理 检 测 安全等方面的内容 我国的家庭智能化起步较晚 现实市场还不大 这一领域的研究和开发相 对滞后 但随着我国经济的快速发展 人们对家庭智能化的需求的不断提高 武汉理工大学硕士学位论文 开发商对开发建设智能化小区日益重视 未来市场十分可观 抓住这一宝贵商 机 研发和推广适合我国自身特点的具有价格优势的嵌入式家庭网关产品 非 常符合我国国情和市场经济的规律 既满足国内市场日益增大的需求 创造巨 大的经济效益 又提高了我国人民生活的现代化水平 产生良好的社会效益 意义十分重大 1 2 相关领域国内外发展与现状 智能家居系统又称为智能家庭局域网 是适应现代化家庭生活而形成的多 样化的网络结构 智能家居的概念首先是由美国 加拿大 欧洲 澳大利亚以 及东南亚等经济比较发达的国家提出的 世界上第一幢智能建筑1 9 8 4 年在美国 康涅迪格州出现 当时只是对一座旧式大楼进行了一定程度的改造 采用计算 机系统对大楼的空调 电梯 照明等设备进行监测和控制 并提供语音通信 电子邮件和情报资料等方面的信息服务 自从世界上第一幢智能建筑在美国出 现后 美国 加拿大 欧洲 澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提 出了各种智能家居的方案 2 国内家庭网络尚处于萌芽状态 方正的卓越z 系列 海信的海景二代 海 尔的e 家庭和网络家电 t c l 的家庭信息显示器 h i d 以及初露端倪的联 想 h o m e 等等 这些有益的尝试尽管为用户描述了一个智能家居的美好前景 但 是由于缺乏统一的标准 规范和接口协议 更多意义上还只能算一种概念性产 品 近几年国内外也提出了一些与智能家庭网络有关的一些技术 利用多代理 平台技术使家庭网络中的分布式的 庞杂的家用设备有效的 和谐的连接在一 起h s s i n as e r v i c eo f h o m es e c u r i t ys y s t e mo ni n t e l l i g e n tn e t w o r k 是一种家庭安 全和多种服务控制网络结构 它是基于t c p i p 标准通信协议 也包含了智能网 络组建 提供了安全 高速 有效 经济的服务 3 数字家庭网络的蓬勃发展 给家庭网关带来了巨大的市场 仅国内市场 现有宽带用户几千万 且大都采用小区宽带或上网 而这些用户大都具有家庭 组网需求 几年内那些使用转向家庭网关 再包括新增用户 家庭网关市场容 量巨大 如果家庭网关的研究能实现领先 将在整个家庭网络产品的竞争中占 据制高点 取得良好的经济和社会效益 智能家居的基本功能是网络接入系统 防盗报警系统 消防报警系统 电视对讲门禁系统 煤气泄露探测系统 远程 2 武汉理工大学硕士学位论文 抄表 水表 电表 煤气表 系统 紧急求助系统 远程医疗诊断及护理系统 室 内电器自动控制管理及开发系统 集中供冷热系统 住宅网上购物系统 语音 与传真服务系统 网上教育系统 股票操作系统 视频点播系统 付费电视系 统 有线电视系统等等 各种新鲜的名词逐渐成为了智能家居中的组成部分 智能家居在美国 德国 新加坡 日本等国都有广泛应用 4 1 智能家庭网络是集计算机 通信和消费技术于一体的系统 是后时代家电 业的又一大热点 它是指在家庭内部通过一定的传输介质将各种电子设备 电 气设备和电子系统连接起来 采用统一的通信协议 对内管理家庭内部网中智 能家电的运作 协调对外实现家庭内部网和 公用电话网或移动网络等公众通 信平台的连接 支持远端对家庭内部设备的控制和监测 一个完善的家庭网络应该包括高速数据通信 高速的音频视频入 信号传 输和低速控制三部分 各部分通过一个类似网关的平台 即家庭网关 对外与 互联网 有线无线通信线路相连 对内将各部分的设备连接起来 实现各设备 之间相互通信 数据交换 存储和控制 家庭网关是智能家庭网络物理上与逻 辑上的核心 家庭网关的实现目前主要有p c 机与嵌入式系统两种方式 与p c 机比较 嵌入式系统具有体积小 成本低 可靠性高 稳定性好及功耗低等优点 更符 合家庭网关的性能要求 因此 目前家庭网关的设计主要采用嵌入式系统 论 文的研究目标即基于的嵌入式家庭网关实现 家庭网关可以将智能家电连接到 互联网 成为家庭内部网的出口 通过它可以对家庭内部网络中的家电 门窗 等进行中央监控和远程监控 可以随时随地监视家中的安全情况 可以自动报 警等 人们可以通过使用远程监控软件 在离家很远的地方通过远程地操作和 控制家用电器 通过家庭网关 水 电 煤气表可以进行自动抄表和自动结算 而省去烦琐的人工抄表 另外 家庭网关还具有上网功能 可以用予上网浏览 收发电子邮件 发布个人主页 参加网上论坛等 5 随着嵌入式技术的发展 高性能c p u 嵌入式操作系统 网络处理器也将 是未来家庭智能网络开发的主力军 智能化家庭网络正向着集成化 智能化 协调化 模块化 规模化 平民化方向发展 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本文的主要工作 论文的主要研究工作如下 1 调研目前国内外嵌入式系统的现状及发展趋势 分析嵌入式和短距离 无线通信技术技术应用于信息家电的特点 寻找一种合适的设计方案 2 设计了嵌入式无线家庭网关的硬件 由于需要家庭内部组网 所以重 点设计了用于无线通信的节点 并测试硬件 3 选择c 语言作为嵌入式开发语言 选择k e i l7 0 6 以及a d s l 2 作为软 件开发环境 在无线网关设计中引入了嵌入式操作系统肛c o s i i 来提高系统 的并发性 同时移植了l w i p 协议栈用于以太网通讯 并重点设计了无线通信模 块上的驱动程序和基本收发通信程序 4 重点测试了无线通信节点的驱动程序和基本收发通信程序 并对整体 软件进行了黑盒测试 白盒测试和极限测试 5 对嵌入式无线家庭网关以及与其组织起来的家庭内部网络进行了充分 的系统测试 实验证明该系统运行良好 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章嵌入式无线家庭网关总体设计 本章主要对无线家庭网关系统结构进行了概述 根据功能需求 设计了基 于嵌入式平台的无线家庭网关的硬件与软件的整体构架 并根据需求进行了软 硬件的选型 2 1 嵌入式无线家庭网关功能简介 嵌入式无线家庭网关是处理 转发以及存储信息 并且实现家庭内部无线 网络与外部网络无缝连接的枢纽 c i s c o s y s t c m 公司的家庭网关定义是 一个在 家庭内的网络化信息设备与智能宽带接入网之间的智能化网关 2 w i r e 公司的家 庭网关定义是 一种将家庭网络无缝连接到宽带网络 使所有家庭内连网设备 同时享有高速连接的设备 6 结合本课题的研究内容 本文设计的基于a r m 和 c c 2 5 0 0 的嵌入式无线家庭网关主要实现以下功能 1 信息网络化 提供将外部网络连接到家庭内部设备和家庭内部设备连 接到外部网络的统一物理接口 2 管理智能化 对家庭内各种设备的运行进行管理 为用户提供各种信 息家电控制监测服务 也包括未来可能出现的服务的平台入口 3 住宅网络化 通过短距离无线通信技术 利用低成本无线节点模块 将家庭内部的设备包括家庭网关相互联系起来 这样在家里任意角落设备都可 以另一个设备通信而不用担心传统有线连接带来的布线问题 4 操作简单化 提供友好的人机界面 因为该网络系统是在千家万户中 使用的 考虑到用者的年龄 职业 经历以及受教育程度等的差异 所以该系 统操作简单 方便 可靠 适应不同使用人群的需要 2 2 嵌入式无线家庭网关框架设计 根据上一节分析的需要实现的功能 嵌入式无线家庭网关可以划分为操作 5 武汉理工大学硕士学位论文 界面模块 网络接口模块 无线通信模块 信息处理以及管理模块 操作界面模块 在嵌入式无线家庭网关控制系统中 用户终端可以通过w e b 页面方式浏览 设置相关设备信息数据统一规划 定义 管理 控制 使得用 户可以方便地通过上位机图形界面 查询设备状态 控制设备动作 而所有这 些功能都是建立在实时的嵌入式无线网关平台上 网络接口模块 在嵌入式无线家庭网关控制系统中 用户可以通过网络接 口模块处理来自i n t e m e t 的数据 并且将本地的数据实时的传输到外部的因特网 上去 无线通信模块 在嵌入式无线家庭网关控制系统中 用户可以通过无线通 信模块将家庭内部设备的信息汇聚到家庭网关上 并且可以通过网关的无线模 块传输转发控制以及查询信息 实现家庭内部任意设备问的相互通信 信息处理以及管理模块 在嵌入式家庭网关控制系统中 用户可以通过信 息处理以及管理模块 处理和转发来自家庭内部以及外部网络的信息 对家庭 内部网络进行管理 嵌入式无线家庭网关的框架结构如图2 1 所示 操作界面模块 酬 设备 卜 i i 夕 无 1 脚3 父 线 千 鲁 信息处理以及管理模块 通 入 设备 信 模 彳卜 块 l i i 网络接口模块 1尢臻卜 x设备 ny 图2 1 网关框架设计图 基本工作过程 当无线家庭网关启动时 信息处理模块 管理模块和操作 界面模块自动运行 并处于阻塞状态 等待用户的控制操作 当用户通过操作 界面模块 例如遥控器或者远程w e b 页面 发送了信息以后 系统会根据用户 的选择运行不同的子系统 如果用户通过操作界面模块选择了打开家庭内部的 6 武汉理工大学硕士学位论文 空调 则家庭网关会收到来自外部网络的h t t p 请求 接收来自网络接口模块 的控制信息 通过信息处理以及管理模块解析消息 将消息封装成适合无线传 输的消息结构 然后将这条消息送到无线通信模块 再由无线通信模块将消息 发送到位于家电设备的无线处理模块 当设备收到这条消息以后 就可以根据 用户的要求执行相应的自动化操作 反之 同样的过程 设备也可以将自己的 状态发送到操作界面模块 以供用户随时查询 2 3 嵌入式无线家庭网关软硬件选型 2 3 1 主控板硬件选型 按功能划分 主控板可以分为三个部分 控制处理部分 网络接口部分以 及串口通信部分 控制处理部分监控整个系统的运行 并对收发的数据按照一 定的规则进行的封装和解封装处理 网络接口部分负责处理来自以太网的接收 和发送请求 实现网关与外网的互联功能 串口通信部分则连接无线收发节点 以便接收和发送无线控制和查询信息 其基本硬件结构如图2 2 所示 以太网接口 r s 2 3 2 图2 2 主控板硬件框架设计图 综合各方面因素 主要是成本 性能 开发工具支持 并且为了缩短开发 周期 选用a t m e l 公司成产的用于网络控制的a t 9 1 s a m 7 x 2 5 6 作为主控板的处 理器 7 1 a t 9 1 s a m 7 x 2 5 6 微控制器集成了一个a r m 7 t d m i 的核 具备嵌入式 1 0 1 0 0 以太网 e t h e m e t m a c c a n 全速 1 2 m b p s u s b 2 0 针对广泛的网络 化实时嵌入式系统而设计的a t 9 1 s a m 7 x 2 5 6 还具备一个1 0 位模数转换器 a d c 两个串行外围接口 s p i 同步串行接d s s c 双线接c i t w i 三个 通用异步收发器 u a r t 一个8 级 8 l e v e l 优先中断控制器 p r i o r i t yi n t e r r u p t c o n t r o l l e r 和众多的监管功能 这个新型的5 0m i p sm c u 拥有6 4 k b 的静态存储 7 武汉理工大学硕士学位论文 器和2 5 6 k b 的2 5 n s 闪存 这种闪存支持实时控制系统所需的可确定性处理能 力 由于a t 9 1 s a m 7 x 2 5 6 芯片集成了2 5 6 k 片上f l a s h 和6 4 k 片内r a m s l 因此不需要外扩存储器 极大的节省了开发成本 a t 9 1 s a m 7 x 2 5 6 还集成了一个以太网的m a c 所以只需一片标准的p h y 芯片就可以实现以太网口的功能 p h y 芯片选用了常见的r t l 8 2 0 1 b l r t l 8 2 0 1 b l 是我国台湾地区生产的一款网络物理层芯片 它支持1 0 m 1 0 0 m b p s 网络传输并且符合i e e e 8 0 2 3 协议 它包括物理译码子层 物理介质连接子层 双绞线物理介质相关子层 1 0 0 b a s e t x 译码 解码 双绞线介质连接单元 支持 p e c l 正极射极耦合逻辑 电平接口的1 0 0 b a s e t x 光纤发送器 适应低电压低 功耗的要求 9 j 在其他接口硬件选型方面 与无线收发节点采用r s 2 3 2 通信 使用一片 m a x 3 2 3 2 实现接口电平的转换 扩充了一片s p i 接口f l a s h 芯片a t 4 5 d b 0 2 1 b 和i z c 接口e 2 p r o m 芯片a t 2 4 c 1 0 2 4 2 3 2 无线收发节点硬件选型 按功能划分 无线节点可以分为三个模块 分别是控制处理模块 射频通信 模块以及实时时钟模块 控制处理部分监控整个系统的运行 并对收发的数据按 照一定的规则进行的封装和解封装处理 射频通信模块负责数据的收发 采用短 距离无线通信的方式 实现多节点通信时数据的传输 实时时钟模块负责给系统 提供需要的同步时间以及定时触发微控制器的外部中断以唤醒节点 另外 每个 部分都需要电源来提供能量 作为整个系统工作的基础 电源部分也是必不可少 的 与家电连接的节点可以通过r s 2 3 2 与家电通信 所以部分节点还带有串口 通信模块 节点主要由微控制器 射频收发器 实时时钟 串口几个部分构成 微控制 器与射频模块通过s p i 口通信 与实时时钟通过模拟的i 2 c 通信 节点的各个模 块有机的结合在一起 在工作过程当中 负责系统监控数据处理功能的控制处理 模块是整个节点的核心 由它来协调各部分的协同工作 完成对信息的处理打包 并送到射频收发模块转发 待发送完成以后 射频通信模块又可以将信息反馈给 控制模块 节点结构如图2 3 所示 8 武汉理工大学硕士学位论文 图2 3 节点总体结构图 在本节点设计中 需要涉及到以下几个方面 处理器性能 所支持的开发工 具 处理器的成本和功耗 综合以上几个方面考虑 微控制器选择一款高性价比 的8 位微控制器s t c l 2 l e 5 4 1 0 a d s t c l 2 l e 5 4 1 0 a d 采用2 0 脚贴片封装 与传 统5 1 单片机指令系统完全兼容 但速度是传统5 1 单片机的8 倍以上 支持在线 烧写程序 有i o k 字节的片内f l a s h 和5 1 2 字节的r a m 内部集成了s p i a d u a r t 等接口 芯片的供电电压范围位2 2 v o 8 v 并且可以进入休眠模 式 比较适合采用电池供电的系统 1 0 1 考虑到功耗 接收灵敏度 传输速率和芯片成本等 t i 公司的无线射频收 发芯片c c 2 5 0 0 比较适合本文节点的应用 c c 2 5 0 0 是t i 公司推出的一款低成本 真正单片2 4 g h z 收发器 专门为低功耗无线应用设计 电路设定为 2 4 0 0 2 4 8 3 5 m h z 的i s m 工业 科学和医学 和s r d 短距离设备 频率波段 r f 收发器集成了一个数据传输率可达5 0 0 k b p s 的高度可配置的调制解调器 1 1 c c 2 5 0 0 的主要操作参数和6 4 位传输 接收f i f o 先进先出堆栈 可通过s p i 接 口控制 体积小 q l p4 4 m m 封装 2 0 脚 带有载波监听和休眠模式 非常 适合低功耗应用 p c f 8 5 6 3 是低功耗的c m o s 实时时钟 日历芯片 它提供一个可编程时钟输 出 一个中断输出和掉电检测器 所有的地址和数据通过1 2 c 总线接口串行传递 最大总线速度为4 0 0 k b i t s s 每次读写数据后 内嵌的字地址寄存器会自动产生 增量 p c f 8 5 6 3 采用低工作电流 o 2 5 衅 大电压范围 1 8 v 5 5 v 1 2 非 常适合本文设计的节点 2 3 3 嵌入式实时操作系统和网络协议选型 考虑到本设计中的网关有成本控制的需求 并且系统存储资源有限 所以 选用了可裁剪的t t c o s i i 实时操作系统 t t c o s i i 是由j e a nj l a b r o s s e 于1 9 9 2 年编写的一个嵌入式多任务实时操作系统 1 3 最早这个系统叫做l i c o s 后来 9 武汉理工大学硕士学位论文 经过近1 0 年的应用和修改 在1 9 9 9 年j e a n j l a b r o s s e 推出了t t c o s i i 并在2 0 0 0 年得到了美国联邦航空管理局对用于商用飞机的 符合r t c a d 0 1 7 8 b 标准的认 证 从而证明p c o s i i 具有足够的稳定性和安全性 p c o s i i 是用c 语言和汇 编语言编写的 其中绝大部分代码是用c 语言编写的 只有极少部分与处理器 密切相关的代码是用汇编语言编写的 所以用户只要作很少的工作就可以把它 移植到各类8 位 1 6 位和3 2 位嵌入式处理器上 由于t t c o s i i 的构思巧妙 结构简洁精练 可读性很强 同时又具备了实时操作系统的全部功能 所以虽 然它只是一个内核 但非常适合初次接触嵌入式实时操作系统的学生 嵌入式 系统开发人员和爱好者学习 并且通过适当地扩展之后 还可应用到实际系统 中去 该系统具有内核小 便于设计 维护和扩展的优点 1 4 本文选用i t c o s i i 的理由是因为肛c o s i i 大部分代码使用c 语言编写 简 洁易懂 极大的方便了移植操作系统到硬件上的工作 并且编译以后占用存储 资源较少 适合嵌入式应用 考虑到本系统需要实现网络功能 所以要在操作系统上移植t c p i p 协议栈 b 5 嵌入式t c p i p 协议栈的实现有很多 l w i p 就是当中比较受欢迎的一种 l w i p l i g h t w e i g h ti n t e r a c tp r o t o c 0 1 是瑞士计算机科学院 s w e d i s hi n s t i t u t eo f c o m p u t e rs c i e n c e 的a d a md u n k e l s 等开发出来的一套用于嵌入式系统的开放源 代码t c p i p 协议栈 一般情况下 l w i p 既可移植到操作系统上 又可在无操 作系统的情况下独立运行 l w i p 实现的主要优点是在保持了t c p i p 协议主要 功能的基础上 减少了其对r a m 的占用 1 6 1 一般它只要几十k b 的r a m 和4 0 k b 左右的r o m 就可以运行 这使得l w i p 协议非常适合在嵌入式系统中使用 目 前最新版的l w i p 已经发展到1 2 0 版了 l w i p 的主要特点如下 1 持多网络接口下的i p 转发 2 持网间控制报文协议i c m p i n t e m e t c o n t r o l m e s s a g e sp r o t o c 0 1 3 含有实验性扩展的用户数据报协议u d p u s e rd a t a g r a m p r o t o c 0 1 4 括阻塞控制 r 1 r t 估算和快速恢复及快速转发的传输控制协议t c p 5 有专门可供内部回调应用编程接口r a w a p i 可用于提高程序性能 6 有可选择的b e r k e l e y 接口a p i 多线程情况下 7 在最新的版本中支持端对端协议p p p p e e r p e e rp r o t o c 0 1 8 版本中增加了i pf r a g m e n t 的支持 9 支持动态主机配置协议 d h c p 和动态分配口地址 1 7 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 本文选用l w i p 是因为 一般只要几十k b 的r a m 和4 0 k b 左右的r o m 就可以运行 与硬件所提供6 4 k r a m 和2 5 6 k f l a s h 相匹配 l w i p 使用无须 数据复制并经过裁剪的a p i 1 3 1 可以缩短开发周期 l w i p 是完全开源的协议栈 便于修改和扩充 2 4 本章小结 嵌入式系统的设计构架决定了系统的功能和应用 本章从嵌入式处理器 无线节点 嵌入式实时操作系统以及嵌入式t c p i p 协议栈的选择入手 通过比 较 论述了本系统设计实现所必须需的核心软硬件部分 从大体上描绘了系统 整体框架 而且充分考虑了网关实现的成本控制 以适应市场的需求 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章嵌入式无线家庭网关软硬件设计 本章详细给出了嵌入式无线家庭网关各个部分的软硬件设计方案 对设计 中出现的关键点和难点进行了分析 并给出了电路设计原理图 详细介绍了各 接口之间的硬件设计 以嵌入式实时操作系统i x c o s i i 为出发点 进行了有针 对性的裁剪和移植工作 在平台上移植了嵌入式t c p i p 协议栈l w i p 实现了 网关接入i n t e m e t 的功能 然后开发了无线节点的驱动和基本通信程序 并针对 设计中出现难点提出了相应的解决方案 构建了嵌入式无线家庭网关的软硬件 平台 3 1a t 9 1 s a m 7 x 2 5 6 核心板硬件设计 3 1 1 控制处理模块硬件设计 控制处理模块的核心是a t 9 1s 气m 7 x 2 5 6 处理器 其周围连接的主要部件为 电源电路 复位电路 f l a s h 芯片a t 4 5 d b 0 2 1 b 和e 2 p r o m 芯片a t 2 4 c 1 0 2 4 以及r s 2 3 2 接口电路 a t 9 1 s a m 7 x 2 5 6 处理器作为主机通过s p i 接口与 a t 4 5 d b 0 2 1 b 连接 通过1 2 c 接口与a t 2 4 c 1 0 2 4 连接 a t 9 1 s a m 7 x 2 5 6 处理器的周边引脚的连接详细设计如下 j t a g 引脚 t m s t d i 和t c k 都是施密特触发器型的输入引脚 t m s 和t c k 与5 v 兼容 t d i 则 不是 t m s t d i 和t c k 都没有上拉电阻 t d o 为输出引脚 输出电平可达 v d d i o 没有上拉电阻 引脚j t a g s e l 拉高时选择j t a g 边界扫描功斛1 9 1 此引脚集成了阻值约为1 5 e o 的片内下拉电阻 所以在正常工作模式下可以悬空 测试引脚t s t 用于生产测试 或是拉高以进入快速编程模式 t s t 集成了 阻值约为1 5 k o 的片内下拉电阻 所以在正常工作模式下可以悬空 为了使能快 速编程模式 引脚t s t 和p a o p a l 都需要拉高 t s t 为高时 若p a 0 或p a l 为0 将导致不可预测的结果 7 1 引脚e r a s e 用于f l a s h 及其一些n v m 位的擦除 引脚具有阻值约1 5 k q 的 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 下拉电阻 所以在正常工作模式下可以悬空 对于p i o 控制器端口i o 口线 p a 0 p a 3 0 和p b 0 p b 3 0 与5 v 兼容 且每个 i o 都具有可编程的上拉电阻 通过p i o 控制器可以对每一个i o 的上拉电阻进 行单独控制 与5 v 兼容意味着i o 可以输出v d d i o 的电平 而输入则可以高 达5 5 v 但此时不能使能i o 的上拉电阻 否则将导致不可预测的结果 特别 是在复位时一定要注意 因为在复位阶段所有的i o 都缺省为带上拉电阻的输 入引脚 i o 驱动电平引脚p a 0 p a 3 可以输出大电流 每个i o 都可以驱动高达 6m a 的电流 其余的i o 只能输出8m a 的电流 要注意的是 所有i o 输出的 电流之和不能超过1 5 0m a 引 电源电路是整个系统工作的基础 对系统的稳定性有至关重要的作用 a t 9 1 s a m 7 x 2 5 6 一共有六种类型的供电引脚 芯片的内部还集成了电压调节器 系统单电源供电原理图如图3 1 所示 图3 1 系统供电原理图 各个输入电源没有单独的引脚接地 因此在布线时g n d 引脚与系统地的引 脚要尽可能的短 a t 9 1 s a m 7 x 2 5 6 还有一个由系统控制器管理的电压调节器 它支持低功耗模式 此模式下只消耗不到2 0 衅的静态电流 而输出则可达 l m a t 2 0 1 v d d o u t 引脚必须有足够的去耦电容以减少波纹和防止震荡 最好的 方法就是并联两个电容于v d d o u t 和g n d 之间 一个电容的容值是4 7 0 p f 另一个是2 2 心 在布线的时候电容应该尽量靠近芯片 v d d i n 也需要足够的 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 去耦电容来提高启动的稳定性以及减少压降 在本设计中 采用u s b 提供的5 v 直流电源供电 使用电源转换芯片将5 v 转为3 3 v 提供给a t 9 1 s a m 7 x 2 5 6 芯片 片内的电压调节器连接到3 3 v 输出则连接到v d d c o r e 和v d d p l l 电源部 分电路如图3 2 所示 图3 2 系统供电电路图 a t 9 1 s a m 7 x 2 5 6 处理器复位电路比较容易实现 因为芯片提供一个复位引 脚n r s t 复位引脚n r s t 是双向引脚 它可以被片内的复位控制器拉低 从而 为外部器件产生复位信号 也可以被外部电路拉低以复位处理器 复位脉冲没 有持续时间的限制 复位控制器可以保证产生最小长度的脉冲 从而可以在引 脚n r s t 上简单地连接一个按键开关作为用户的系统复位控制 同时也可以利 用n r s t 信号来复位系统的其他原器件 n r s t 引脚有一个上拉电阻连接到 v d d i o a t 9 1 s a m 7 x 2 5 6 片内集成了m a c 控制器 支持m i i 接口和r m i i 接口 而 r t l 8 2 0 1 b l 只提供了m i i 接口 所以应该采用m i i 方式与r t l 8 2 0 1 b l 相连 即两个芯片的同名端直接相连 另外m d i o 引脚需要上拉1 5 k q 的电阻 其基 本连接原理如图3 3 图3 3c p u 与网口芯片连接示意图 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 由于r t l 8 2 0 1 b l 的m i i 接口没有表示发送错误e t x e r 这一根信号线 所 以 用户破坏数据包的功能需要通过其他方式来实现 比如停止发送数据包造 成c r c 校验错误等 各个引脚的功能如表3 1 所示 表3 1 引脚功能表 引脚名字功能 e t x c ke r e f c k 发送时钟信号 e c r s载波侦听信号 e c o l 碰撞检测信号 e r x d v 数据校验信号 e r x 0 e r x 34b i t 数据接收信号 e r x e r 接收错误信号 e r x c k 接收时钟信号 e t x e n 发送使能信号 e z 0 e t x 3 4 b i t 数据发送信号 e t x e r 发送错误信号 3 1 2 网络接口模块硬件设计 以太网物理层芯片选用单端口的r t l 8 2 1 0 1 b l 它实现了全部1 0 1 0 0 m 以 太网物理层功能 引脚t p r x 和t p r x 为接收数据 t p t x 和t p t x 为发送数 据 具体硬件设计为 t p r x 和t p r x 连接至2 0 f 0 0 i n 相应的的发送数据引脚 上 t p t x 和t p t x 连接至2 0 f 0 0 i n 相应的的接收数据引脚上 将i o s l a t e 和 r p t r 引脚下拉到地 s p e e d d u p l