基于ARM和VxWorks的家庭网络控制系统

1、信阳师范学院学报(自然科学版)第19卷 第3期 2006年7月JournalofXinyangNormalUniversity(NaturalScienceEdition)Vo.l19No.3Ju.l2006应用技术研究基于ARM和VxWorks的家庭网络控制系统谢华成,罗 浩,谈 静aba(信阳师范学院a.网络信息与计算中心;b.物理电子工程学院,河南信阳464000)摘 要:采用了应用广泛的ARM处理器S3C4510B作为家庭网络控制系统的主控芯片,VxWorks嵌入式操作系统为该控制系统的软件平台,并采用10M/100M以太网为信息传输的媒介,探讨了在IP网络环境下家庭网络控制系统的架构

2、,包括系统组成、硬件配置、软件设计、工作原理、功能等各方面 实验结果表明嵌入式家庭网络控制系统可以在C/S模式下对信息家电进行有效远程监控关键词:ARMVxWorks远程控制S3C4510B中图分类号:TP273+.5 文献标识码:A 文章编号:1003 0972(2006)03 0342 04传统互联网的应用正由PC向嵌入式系统应用转移,安防信息可以开放地被个人或管理部门查询 对于私有信息,可以设置相应权限由用户本人通过网络终端随时随地进行控制和查询按照家庭网络控制系统的功能,可分成三大类型:可直接控制子系统、待改造可控子系统和扩展可控子系统 可直接控制子系统包括安防、照明和窗帘;待改造子系

3、统包括普通家电和水电气三表控制;扩展子系统包括实时视频监控等应用将嵌入式系统应用到远程控制中可以改良传统的网络控制方式 传统的远程监控多采用CAN总线或RS-485总线1,控制网络中需要单独架设总线 如今以太网铺设非常广泛,接入点数量也越来越多,如何利用现有的网络资源并实施远程控制,已经成为嵌入式系统应用的新趋势设计并开发出多功能、可靠、经济、易用的家庭网络控制系统,也是当前很多研究机构和公司致力的研究方向 目前解决这个问题有两种方案2:一种是PC网关+专用网;另一种是ARM+RTOS(嵌入式实时操作系统) 本文选用的是第二种方案,采用32位ARM处理器S3C4510B作为主控芯片并结合VxW

4、orks操作系统,取代PC机的工作,组成功耗仅1W、具备Internet接入功能的家庭网络控制系统 本设计的任务目标是在S3C4510B芯片上完成家庭网络控制系统的软硬件设计,包括VxWorks操作系统的移植,目标机监控软件和网络监控程序的开发与调试,上位机UDP远程控制软件的开发2 系统原理与设计2.1 硬件组成简介家庭远程控制系统最小系统包括S3C4510B主芯片,16MBSDRAM存储器(由两块8MB的HY57V651620组成),2MB闪烁存储器SST39VF1601,还有一片网络接口芯片RTL8201BL,以及两片串口电平转换芯片MAX232等组成ARM网络控制器S3C4510B和网

5、络接口芯片RTL8201BL是和外界联络的关键器件,通信的方式是10M/100M自适应以太网 在家庭内部,直接控制子系统可以利用GPIO来完成工作,非直接控制子系统可以使用UART、I2C与中断结合的方式,根据各可控设备与主芯片的距离远近来选择使用RS 485通信方式或选择RS 232通信方式,若串口设备较多,可以考虑使用串口数据集线器协助工作 对于将来需要扩展的功能,如视频监控功能需要扩展系统总线,其最小系统的硬件结构图如图1所示1 系统简介与功能结构本系统的硬件部分的主控制器是S3C4510B,嵌入式操作系统使用的是VxWorks,它是美国WindRiver公司推出的一种RTOS,已经成功

6、应用于火星探测车和爱国者导弹等高科技产品,支持与S3C4510B类似的无MMU(内存管理单元模块)型ARM处理器家庭网络控制系统实际上担当的是家庭智能设备网关的功能,将家庭内部不统一的各种信号(如开关量信号、模拟量信号和串行数据信号)转换成统一的网络数据包进行双向通信,也可以称之为家庭信息控制中心 信息分为公共信息和私有信息两个类型.对于公共信息,如三表数据和 收稿日期:2005 11 162.2 系统芯片与技术简介S3C4510B是ARM7TDMIRISC处理器核的一种,ARM即高级精简指令计算机(AdvancedRISCMachines),T表示支持16位Thumb指令集,D为支持片上De

7、 bug,M为内嵌作者简介:谢华成(1977 ),男,河南信阳人,硕士,研究方向:网络与嵌入式系统应用;罗浩(1970 ),男,河南信阳人,硕士,研究方向:嵌入式系统应用.谢华成,等:基于ARM和VxWorks的家庭网络控制系统硬件乘法器,I为嵌入式ICE,支持片上断点和测试点3 该芯片可以工作于两种模式,当以16位模式工作时是Thumb模式,一般使用32位模式工作,主频50MHz 网络接口的畅通和操作系统的移植是该系统的关键,有VxWorks操作系统对系统硬件的网络支持和软件平台支持,完成家庭网络控制系统的各项功能将会非常顺利尽可能平行等长对于网络接口芯片RTL8201BL5,需要按照MII

8、接口的规范进行连接,该芯片可以设置为10M/100M自适应传输模式,但在一些硬件设计中,有时只能达到10M的传输速度,不能在100M下工作,问题在于RTL8201BL的RT SET引脚,它的功能是控制网络数据AD转换时采样的电流大小,标准配置是5.9K电阻与地相连,在应用中可以选择稍小一些的电阻,如2K或者1.5K,这样可以顺利实现10M/100M自适应传输模式 此外,RTL8201BL对电源要求较严格,数字地和模拟地应该分开,单点接地,多处使用钽电容,应用中需要多加注意2.4 操作系统的移植和系统主要工作原理在S3C4510B上移植VxWorks包含两个方面的内容 一是根据S3C4510B的

9、硬件特点去定制板级支持包(BSP),相当于PC机的BIOS 二是配置VxWorks的组件并开发出用户应用软件 它们分别对应bootrom.hex和VxWorks这图1 S3C4510B目标板硬件结构图Fig.1HardwarestructureoftargetboardS3C4510BS3C4510B内嵌一个以太网控制器,支持媒体独立接口(MediaIndependentInterface,MII)和带缓冲DMA接口(BufferedDMAInterface,BDI) 可在半双工或全双工模式下提供10M/100Mbps的以太网接入 虽然S3C4510B包含了以太网MAC控制器,但并未提供物理层

10、接口 因此,需外接一片物理层芯片以提供以太网的接入通道 可以实现单口10M/100M高速以太网物理层接口功能的器件主要有RTL8201BL、DM9161等 RTL8201BL具备系统需求根据MII接口的规范,RTL8201BL与S3C4510B的连接比较简单,各信号的定义也比较明确 4510B的TXD3.0和RXD3.0对应于RTL8201BL的TXD3.0和RXD3.0,两个芯片的MAC控制器MDC/MDIO一一对应 RTL8201BL采用25MHz的晶振,它与网络隔离变压器的接口,使用了4根线,分别是TPRX+,TPRX-,TPTX+,TPTX-,网络隔离变压器和一个RJ45接口与校园网相

11、连 网卡芯片的复位RTSETB与系统的复位相连 其中要注意的是,RTL8201BL对电源的要求较高,要求对数字电源和模拟电源部分进行适当的隔离,电源和地间使用了0.01 电容去耦以增强抗干扰能力两个映像文件 BSP是介于目标板硬件和操作系统中间的一层软件包,属于操作系统的底层部分,目标板在通电后,BSP要完成初始化硬件,支持操作系统内核VxWorks的加载,保障硬件驱动通信,使硬件相关的驱动和硬件无关的代码可以在VxWorks中很好地结合 BSP和VxWorks的开发需要在Tornado2.2集成开发软件环境下完成,主要是生成bootrom.hex和添加用户应用程序的VxWorks操作系统内核

12、 根据目标板的硬件参数,本文选择了wrSbcArm7BSP模板和GNU编译工具链对BSP进行修改和内核裁剪 BSP开发是重中之重,它的正常工作,是其他开发成员进行模块化设计的前提尽管IDE开发环境支持ARM7架构,但仍需要根据目标板的硬件特点修改配置文件 主要修改的内容包括,编译配置文件makefile,引导行参数串Bootline,目标板上电前和上电后的内存布局,VxWorks的加载方式,串口驱动SIO,增强型网络驱动END等 具体修改如下6:(1)makefile:ROM_TEXT_ADRS=1000000;ROM_WARM_ADRS=1000004;ROM_SIZE=200000(2)c

13、onfig.h:将#undefFORCE_DEFAULT_BOOT_LINE修改为#define;(3)config.h:默认BOOTLINE各参数修改如下:sng(0,0)host:VxWorksu=xhcpw=xhctn=tnh=0e=1 h为宿主机IP地址,e为目标机IP地址,从开发主机下载VxWorks映像文件,FTP服务用户及密码均为xhc,目标机名称tn(4)config.h:SDRAM的容量为16M,因此LOCAL_MEM_SIZE设置为0x01000000(5)config.h:系统启动后,FLASH的地址映射为16M,即将ROM_B

14、ASE_ADRS修改为0x01000000,代码入口地址ROM_TEXT_ADRS修改为0x01000000,FLASH存储器的容量参数ROM_SIZE修改为0x00200000(2M),部分参数须与makefile文件中的定义一致2.3 硬件设计中的关键在硬件设计中,S3C4510B的存储器分成两个部分,一部分是SDRAM,另一部分是FLASH存储器 FLASH用于存储bootloader和VxWorks操作系统内核映像,向SST39VF1601中烧写bootloader(bootrom.hex)的时候,必须检测出正确的产品标识号0XBF和0X234B4,否则烧写bootrom.hex不能成

15、功 有时会出现FLASH的ID检测不正确的情况,原因多为SST39VF1601的焊接不良,需要用无水乙醇清洁或重焊 在设计电路时,要保证电源的质量,尽可能减小干扰,SDRAM与4510B相连的数据线和地址线要第19卷 第3期信阳师范学院学报(自然科学版)2006年7月(6)在wrSbcArm7.h文件中修改ROMCON0寄存器,ROMEndPtr0修改为(ROM_SIZE>>16)<<20,再将ROMEndPtr0_S修改为(ROM_SIZE>>16)+0x100)<<20,分别对应于启动前FLASH的结束地址2M和内存重映射后的结束地址18M,

16、此时ROMBasePtr0为0x00000000(0M),ROMBasePtr0_S为0x01000000(16M);内存总线宽度寄存器DSR0设为16位方式,寄存器内容为0b01,DSR1和DSR2均为0,DSR0、DSR1和DSR2分别对应于EXTBD WTH的0-1位、2-3位和4-5位;最后将ExtIOBase修改为0x18360(7)使用#if0和#endif宏屏蔽sysLib.c中硬件初始化sysHwInit()函数中的一些功能,如LCD显示器sysInitLcd()和行编辑器sysInitLed()(8)编译方式选择BuildBootROM,将生成bootrom.hex文件,使用

17、flashProgramer工具将之编程到S3C4510B目标板VxWorks实时多任务系统依赖于高效的Wind内核的支持 该内核支持多任务机制、中断处理、任务抢占式调度(PreemptivePriorityScheduling)和轮转调度(Round RobinScheduling)7 本系统中选择了轮转调度方式,轮转调度将任务划分为时间片,当任务运行一个时间片后,内核将其调出CPU并置于同优先级就绪队列尾部,调度时选择最高优先级就绪队列首部任务,这种调度方式继承了 基于优先级 和 可抢占 这两个实时调度特征,适合本系统需要VxWorks还支持增强型网络设备(END),在本系统中,选择以太网

18、作为传输媒介,并采用基于UDP/IP的C/S通信模式 在该模式下,服务器端有一个任务在指定的端口等待客户来连接,服务程序等待客户的连接信息,一旦接受客户端的连接请求,就可按照所接受的命令字串启动或挂起相应的任务模块,从而实现家用电器的远程控制后,家中灯具将会打开 其他预设功能,如随时开始蒸饭或洗衣服,控制系统也可以轻松实现,一切预设功能都可以通过网络控制,使生活更加安全、方便表1 任务状态图Tab.1Thestatusoftasks任务名称tExcTasktdbTaskWtNetTasktPortmapdudpServertonitorMtLightCtltSecuCtl入口函数excTask

19、wdbTasknetTaskportmapdudpServerMtonitortLightCtltSecuCtl任务IDffa70cf51960fb90a8f5a6c0f27d10f31e80f227f4f1d82c优先级035054100101101101状态PENDPENDPENDPENDPENDREADYREADYREADY4 几个主要技术问题4.1 ARM7芯片S3C4510B的BSP开发BSP的开发是开发工作的第一步,也是所有工作中非常关键的一环 在定制BSP的过程中,开发者必须对硬件结构十分了解,方可动手开发 主要掌握系统存储器的布局,地址总线和数据总线的配置、网络接口的配置、串行

20、口的配置、操作系统在何处加载等 还需要了解VxWorks映像的加载方式,开发时的调试方法,交叉调试环境的建立方法等等4.2 系统的在线升级问题如果考虑到家庭网络控制系统的在线升级,就必须在目标板上建立TrueFFS9(TrueFlashFileSystem)文件系统,并启动目标机的FTP服务功能 由于目标板上使用FLASH存储器代替早期的ROM存储器,为在线升级提供了可能,在VxWorks操作系统下可以通过MTD(MemoryTechnologyDevice)技术对FLASH进行片上编程,但是提供Flash的厂商很多,各个厂商的MTD驱动不统一,需要开发小组自己编制MTD驱动,该工作目前已经实

21、现,目标机固件的升级可以通过ftp方式完成3 系统运行状态与使用方法系统运行时各任务状态如表1所示,优先级较高的任务序号较小,允许有相同优先级的任务,各任务的创建调用taskSpawn()函数8 其中tExcTask为根任务,WtdbTask为用于调试的目标机代理,tNetTask为网络支持任务,用于本系统的任务有接收客户机发送UDP命令字串的udpServer,子任务监控任务Mtonitor,室内照明控制任务tLightCt,l室内安防控制任务tSecuCtl TMonitor,tLightCt,ltSecuCtl具有相同的优先级,按照轮转调度方式(Round Robin)调度,其他任务按优

22、先级抢占方式调度家庭网络控制系统的使用比较简单,使用时运行上位机UDP客户端软件,该客户端文件仅100KB,完全可以使用便携式U盘存储,通过客户端可以设定家庭网络控制系统的IP地址和UDP端口号 该系统主要针对双职工家庭而设计,在正常上班时间中,家中处于无人值守状态,目标机收到用户发送的安防信息读取指令后,可以通过该系统读取家庭的安防信息 点击客户端软件上的启动照明按钮5 结束语本文给出了基于ARM芯片实现家庭网络控制的设计方案,并实现了系统的各项功能 系统采用普通5V直流变压器供电,工作电流只有0.24A,功耗约1.2W,单板面积约100cm2,硬件成本在人民币200元左右 本系统结合了计算

23、机网络、控制技术和嵌入式操作系统完成了分布式计算,在实现家庭网络控制功能上比传统方式更方便、可靠、节能 嵌入式处理器与嵌入式操作系统相结合是远程控制应用中流行的应用方案,基于IP的网络控制方式也是家庭智能化应用的新亮点 S3C4510B与VxWorks相结合实现了基于IP的家庭网络控制功能,在信息环境下的生活谢华成,等:基于ARM和VxWorks的家庭网络控制系统群体中可以得到灵活应用 今后,网络控制与IPV6相结合将会有更大的市场前景参考文献:1 舒 杰,彭 宏,沈 辉,等.光伏系统的远程监控技术与实现J.华南理工大学学报(自然科学版),2005,33(5):43 47.2 王青松,彭东林,

24、刘小康.基于SX52BD单片机的以太网控制应用J.半导体技术,2003,28(8):33 35.3 李驹光.ARM应用系统开发详解 基于S3C4510B的系统设计M.第2版.北京:清华大学出版社,2004:3 6.4 SiliconStorageTechnology.SST39VF160DataSheetEB.06 02.5 RealtekSemiconductorCorp.RTL8201BLEB.94/cn/phy/rtl8201bl/spec 8201bl(130).pd,f200507 26.6 陈智育.VxWorks程序开发实践M.北京:人民邮电出版社.2004:249 255.7 张 林,王芙蓉.VxWorks嵌入式实时系统任务机制的研究J.微型机与应用,2005(3):11 13.8 程敬原,束礼宝,安琪.VxWorks下基于多任务的网络通讯J.计算机工程与应用,2003,(28):134 137,199.9 程 臻.实时操作系统VxWorks下电子盘驱动程序的开发