摘 要： 提出了一種基于XScale PXA270處理器和Linux操作系統(tǒng)的嵌入式多功能信息交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，由嵌入式信息交互終端和PC服務(wù)器組成。系統(tǒng)通過對Liod開發(fā)板進(jìn)行硬、軟件擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)短信交互、環(huán)境參數(shù)采集、安防監(jiān)控報(bào)警和無線射頻識(shí)別等信息交互功能。
關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng)；信息交互；XScale PXA270；Linux
傳統(tǒng)的信息交互系統(tǒng)大多基于PC-Internet平臺(tái)，采用Web方式來完成信息交互的功能。但由于PC機(jī)體積較大、成本偏高，因此采用PC機(jī)作為信息交互系統(tǒng)的終端并不能很好地滿足便攜性和性價(jià)比的要求。而嵌入式系統(tǒng)與普通的PC機(jī)系統(tǒng)相比，具有體積小、成本低、軟硬件均可根據(jù)不同的應(yīng)用進(jìn)行定制等優(yōu)點(diǎn)。隨著嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，將嵌入式設(shè)備應(yīng)用于信息交互系統(tǒng)的終端已成為一種趨勢。本文提出了一種基于嵌入式信息終端的信息交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并在此方案基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了1個(gè)多功能信息交互系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用Client-Server結(jié)構(gòu)，包含兩大功能模塊：嵌入式信息終端模塊和PC服務(wù)器模塊。信息終端以基于XScale PXA270處理器的Liod平臺(tái)為基礎(chǔ)，移植了Linux操作系統(tǒng)和Qtopia圖形界面；PC服務(wù)器使用Windows操作系統(tǒng)，兩者通過802.11無線局域網(wǎng)連接。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
其中，嵌入式信息終端主要作為信息交互系統(tǒng)的信息發(fā)布和接收終端使用。用戶可以通過嵌入式瀏覽器瀏覽以Web形式發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)上的信息資源，同時(shí)也能通過觸摸屏來獲取更多需要的信息。此外，本系統(tǒng)還根據(jù)不同領(lǐng)域用戶的需要設(shè)計(jì)并擴(kuò)展了外接無線局域網(wǎng)卡、GSM通信模塊、VGA視頻顯示模塊、環(huán)境參數(shù)采集模塊、安防監(jiān)控報(bào)警模塊和無線射頻識(shí)別模塊。PC服務(wù)器作為信息交互系統(tǒng)的后臺(tái)管理模塊主要負(fù)責(zé)對信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。PC服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)著供用戶交互的信息，同時(shí)也管理著信息終端上由用戶發(fā)布的信息，通過設(shè)計(jì)服務(wù)程序，為信息終端提供信息發(fā)布服務(wù)和信息管理服務(wù)。
2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)
嵌入式信息終端硬件主要由基于XScale PXA270的Liod開發(fā)板和各硬件擴(kuò)展模塊組成。
2.1 Liod開發(fā)板特點(diǎn)
Liod開發(fā)板以Intel XScale PXA270微處理器為核心，其主頻高達(dá)520 MHz，支持Intel Wireless MMX 及Speed Step技術(shù)，核心板加底板設(shè)計(jì)，提供了完善的功能接口，包括：IDE接口(傳輸速率>30 Mb/s)、32 MB Nand Flash、64 MB SDRAM、VGA out接口(但未焊接VGA芯片)、鋰電池接口、圖形加速器2 700 G支持等。同時(shí)提供了160×2 pin核心板擴(kuò)展接口及110 pin底板擴(kuò)展接口，便于在Liod平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)。
2.2 GSM擴(kuò)展模塊
為了實(shí)現(xiàn)用戶手機(jī)與信息終端進(jìn)行信息交互，系統(tǒng)需要在Liod平臺(tái)的串口上擴(kuò)展GSM通信模塊來實(shí)現(xiàn)手機(jī)短信方式的信息交互。目前國內(nèi)使用較多的GSM模塊有Falcom的A2D系列、西門子的TC35系列、愛立信的DM 10/DM 20系列等，其中西門子的TC35系列性價(jià)比高、穩(wěn)定性好，故選用西門子TC35i進(jìn)行GSM擴(kuò)展模塊設(shè)計(jì)。
TC35i共有40個(gè)引腳，通過ZIF連接器分別與電源電路、啟動(dòng)與關(guān)機(jī)電路、數(shù)據(jù)通信電路、語音通信電路、SIM卡電路、指示燈電路等連接。在本系統(tǒng)中為減小體積，直接采用主板供電的方式，在1-10腳增設(shè)了穩(wěn)壓整流電路，省去了電池和充電電路。啟動(dòng)電路則由自動(dòng)和手動(dòng)上電復(fù)位電路組成。數(shù)據(jù)通信電路主要完成短信收發(fā)、與平臺(tái)通信、軟件流控制等功能，其數(shù)據(jù)接口采用串行異步收發(fā)，符合RS-232接口電路標(biāo)準(zhǔn)，工作在CMOS電平(2.65 V)下。本模塊以MAXIM公司的MAX232CPE芯片為核心，實(shí)現(xiàn)了電平轉(zhuǎn)換及串口通信功能，并注意了它的電磁兼容(EMC)設(shè)計(jì)。其電路原理框圖如圖2所示。
2.3 綜合信息采集模塊
本系統(tǒng)采用C8051F007單片機(jī)進(jìn)行該模塊的設(shè)計(jì)。C8051F007有8個(gè)I/O口，均容許5 V電壓，并可通過配置交叉開關(guān)得到UART，I2C/SMBus、SPI等總線，每種串行總線都完全用硬件實(shí)現(xiàn)，都能向CIP-51產(chǎn)生中斷，因此很少需要CPU的干預(yù)。該模塊可擴(kuò)展多個(gè)煙感探頭和雙鑒探頭，可將傳感器輸出的開關(guān)信號(hào)作上拉和保護(hù)處理送入I/O。由于該模塊要與Liod平臺(tái)和無線射頻識(shí)別模塊進(jìn)行通信，因此還使用了UART串口和I2C/SMBus總線。通過對交叉開關(guān)進(jìn)行配置，充分利用了所有的端口。C8051F007有4路12位的ADC，模塊擴(kuò)展的溫濕度傳感器所輸出的模擬信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理和保護(hù)電路后輸入其端口。本模塊擴(kuò)展了溫濕度傳感器、煙感探頭、雙鑒探頭和無線射頻識(shí)別模塊。其電路原理框圖如圖3所示。
2.4 無線射頻識(shí)別模塊
在設(shè)計(jì)無線射頻識(shí)別模塊時(shí)，需要考慮該模塊的工作頻率、作用距離、安全要求和存儲(chǔ)容量。符合ISO14443協(xié)議的射頻系統(tǒng)是應(yīng)用比較多的一種。CRX14就是符合ISO14443標(biāo)準(zhǔn)的專用于無線射頻技術(shù)的低成本、單片射頻處理芯片。它發(fā)送的數(shù)據(jù)用ASK方式調(diào)制，接收到的數(shù)據(jù)則是將終端負(fù)載變量信號(hào)解調(diào)所得。CRX14與終端間的數(shù)據(jù)傳輸速率為106 kb/s。本模塊即采用CRX14實(shí)現(xiàn)了1個(gè)較為完整的低成本射頻讀卡器方案。
從CRX14的RFOUT端發(fā)出的信號(hào)，經(jīng)過以PZT2222為核心的高頻放大電路，再通過精心設(shè)計(jì)的阻容匹配網(wǎng)絡(luò)，傳到射頻天線發(fā)射到有效區(qū)域。發(fā)射出去的射頻信號(hào)，經(jīng)含有射頻標(biāo)簽的卡片后返回，同樣被天線接收，并送至接收電路的檢波電路，再經(jīng)過滯環(huán)比較器，最后送入RFIN端口，同時(shí)將數(shù)據(jù)存入內(nèi)部寄存器，供I2C總線讀取。其硬件設(shè)計(jì)難點(diǎn)是天線的設(shè)計(jì)和調(diào)試，及阻容匹配網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算。PCB設(shè)計(jì)上也要十分注意EMC設(shè)計(jì)。
3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)
3.1 系統(tǒng)軟件選型
為了便于系統(tǒng)管理員對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行快捷的信息管理，系統(tǒng)服務(wù)器端硬件選擇普通的PC機(jī)，使用Windows操作系統(tǒng)，并選用SQL Server 2000作為整個(gè)服務(wù)器端的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫。
信息終端的軟件主要包括嵌入式操作系統(tǒng)、圖形界面和嵌入式數(shù)據(jù)庫。嵌入式操作系統(tǒng)是一種支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議等。嵌入式操作系統(tǒng)占用空間小，其特點(diǎn)主要體現(xiàn)在可裁剪性、實(shí)時(shí)性和可靠性等方面。本系統(tǒng)信息終端選用Linux操作系統(tǒng)、Qtopia圖形界面和SQLite嵌入式數(shù)據(jù)庫。
3.2 服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì)
服務(wù)器端軟件開發(fā)采用Visual C#.net 2005，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2000。服務(wù)器端軟件主要是為Web信息發(fā)布頁面提供顯示數(shù)據(jù)，并對信息進(jìn)行管理。圍繞服務(wù)器端的主要功能，還需要具體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)以下2個(gè)輔助程序模塊：
(1)SQL Server 2000數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)
標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫SQL Server 2000安裝在PC服務(wù)器上，為信息瀏覽時(shí)的網(wǎng)站頁面提供顯示數(shù)據(jù)，并接受數(shù)據(jù)庫管理客戶端對數(shù)據(jù)的輸入、修改、刪除等管理。
(2)數(shù)據(jù)庫管理客戶端
數(shù)據(jù)庫管理客戶端為系統(tǒng)管理員提供了界面友好的數(shù)據(jù)庫管理界面，協(xié)助管理員管理SQL Server 2000和擴(kuò)展的嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite，本設(shè)計(jì)編寫了數(shù)據(jù)庫管理客戶端應(yīng)用程序，系統(tǒng)管理員可通過管理客戶端管理數(shù)據(jù)，同時(shí)為信息發(fā)布的Web頁面提供顯示數(shù)據(jù)。該程序的實(shí)現(xiàn)主要包括3個(gè)方面：數(shù)據(jù)的輸入、數(shù)據(jù)庫操作的實(shí)現(xiàn)、2個(gè)數(shù)據(jù)庫的協(xié)調(diào)同步。
3.3 信息終端軟件設(shè)計(jì)
信息終端選用Linux操作系統(tǒng)，其應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)主要圍繞GSM短信交互功能展開，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了各擴(kuò)展功能參數(shù)在終端網(wǎng)頁上特定區(qū)域內(nèi)顯示的功能。其主要程序模塊分別為：
(1)擴(kuò)展SQLite數(shù)據(jù)庫
本系統(tǒng)將輕型開源數(shù)據(jù)庫SQLite 3.5.5移植到Liod開發(fā)板上，并為其設(shè)定網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫操作協(xié)議，將SQLite擴(kuò)展成為單連接的異步通訊網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。本數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)用于短信交互，它為向系統(tǒng)發(fā)送短信查詢詳細(xì)瀏覽信息的用戶提供數(shù)據(jù)，并接受數(shù)據(jù)庫管理客戶端對數(shù)據(jù)的管理。
(2)終端信息瀏覽模塊
該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在信息終端上顯示PC服務(wù)器上發(fā)布的Web頁面。在Liod平臺(tái)上移植Linux操作系統(tǒng)和Qtopia圖形界面后，使用Konqueror瀏覽器瀏覽服務(wù)器上發(fā)布的Web頁面。Linux的移植主要包括：BootLoader、Linux內(nèi)核和嵌入式文件系統(tǒng)。Linux內(nèi)核使用Linux-2.4.21，文件系統(tǒng)包括基本文件系統(tǒng)和Qtopia。
(3)手機(jī)短信交互模塊
該模塊主要實(shí)現(xiàn)用戶通過手機(jī)短信方式與信息終端進(jìn)行信息交互。系統(tǒng)通過TC35i實(shí)現(xiàn)短信收發(fā)后，對用戶短信進(jìn)行解析，并查詢SQLite數(shù)據(jù)庫中與用戶短信匹配的信息，再以短信的形式回復(fù)用戶。也可將短信上傳的信息發(fā)送至PC數(shù)據(jù)庫，更新信息發(fā)布頁面。
3.4 系統(tǒng)軟件流程
系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。
本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)嵌入式多功能信息交互系統(tǒng)。在實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)信息發(fā)布和信息交互這兩個(gè)主要功能的基礎(chǔ)上，根據(jù)該系統(tǒng)應(yīng)用的不同場合擴(kuò)展了環(huán)境參數(shù)采集、安防監(jiān)控報(bào)警、無線射頻識(shí)別和電視信號(hào)接收等功能，為不同領(lǐng)域用戶的使用提供了方便。
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