摘要 作者簡介：鄧易冬，男，1 9 8 1 年1 1 月出生，2 0 0 5 年師從賈雨副教授，于2 0 0 8 年6 月畢業(yè)于成都理工大學(xué)測試計量技術(shù)及儀器專業(yè)并獲得工學(xué)碩士學(xué)位。 摘要 傳統(tǒng)的家電采用各自獨(dú)立的工作模式，不同家電之間無法通信，這樣就不 能有效地安排各種家電協(xié)同工作，容易造成浪費(fèi)。同時它們無法自動獲取外界 的信息，人們無法對其進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，難以滿足現(xiàn)代生活的需求。所以開發(fā)智 能化的家電及其控制系統(tǒng)己成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。 傳統(tǒng)的電話只能進(jìn)行語音通信，它存在利用率低、功能有限和安全性不好 等缺點(diǎn)。近年來，以a r m 為代表的高性能專用微處理器的出現(xiàn)，以及l(fā) i m 、 w i n d o w sc e 等操作系統(tǒng)的完善，使嵌入式技術(shù)迅速發(fā)展，這為智能i p 電話的 研發(fā)提供了軟硬件基礎(chǔ)。 現(xiàn)階段家庭網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)的方式主要為有線接入，因?yàn)檫@種方式網(wǎng)絡(luò)性 能比無線隱定，延時性相對要小，用它來遠(yuǎn)程控制智能家電比無線網(wǎng)要安全可 靠。要實(shí)現(xiàn)智能家電的網(wǎng)絡(luò)化，如果采用p c 機(jī)進(jìn)行直接進(jìn)行控制，或者讓每 臺家電接入網(wǎng)絡(luò)，這樣成本很高，不利于一般家庭的普及。 為此，筆者采用基于a r m 9 芯片、w i n d o w sc e4 2 嵌入式操作系統(tǒng)的i p 電話作為家電的控制中心，智能家電采用刪9 芯片和l i n u x 2 4 操作系統(tǒng)。各 個智能家電與口電話采用串口進(jìn)行通信，i p 電話采用網(wǎng)口與因特網(wǎng)通信。這樣 可以大量的降低成本，而且通信方式比p l c 和藍(lán)牙通訊技術(shù)更安全可靠。 本文以i p 電話與智能家電互聯(lián)為切入點(diǎn)，結(jié)合a r m 、嵌入式l 抽u x 和網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)，設(shè)計出一種較為完善的i p 電話與智能家電的控制系統(tǒng)。采用這種方式， 使智能家電集電腦、電信和消費(fèi)類電子產(chǎn)品的特征于一體，讓家電具有信息的 獲取、加工、傳遞等功能，提供全方位的信息交換，幫助家電與外部保持信息 交流暢通，這樣可以優(yōu)化人們的生活方式，節(jié)約能源費(fèi)用資金。 筆者完成了系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計，并進(jìn)行了調(diào)試，驗(yàn)證了所設(shè)計系統(tǒng)的有 效性和實(shí)用性。并力爭將其拓展成為完善的智能家電控制系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：智能家電遙操作電話嵌入式系統(tǒng) 成都理j ：人學(xué)碩士學(xué)位論文 t h e s y s t e md 咖o f 油b e d d e d i p h 啪ea n dr e m o t eo p e r a t i o n i t e l l i g e n te l e c t r i c a la p p l i a n c e sb a s e d o n a r m i n 們d u c t i o no f t l l ea u m o r ：d e n g y i d o n g ，m a l e ，w a sb o mi nn o v e m b e r ，1 9 8 1 w h o s et u t o rw a sa d j u l l c tp r o f e s s o rj i a y l l h eg r a d u a t c d 的mc h c n g d u u n i v e r s 時o f t e c h n o l o g yi nt e s t i n gt e c l l i l o l o g y & i n s t r 岫e n t sm 旬o r 趾dw 夠g r a n t e dm cm a s t c r d e g r e ei nj 岫e ，2 0 0 8 a b s t r a c t 1 1 1 e 缸a d i t i o n a le l e 確c a la p p l i 鋤c e sw o r ki n d 印e n d e n t l y t h c ya r e 硼a b l et o c o m m l l l 】i c a t ee a c ho m s o 、wc 糊o ta n 舶g ee a c hk n do fe l e c t r i c a ia p p l i a l l c e st o w o r ke 療b c t i v e l y i t se a s yt or e s m ti nw 嬲t e a tt h es a m et i m e ，t h e ya r eu na _ b l et og a i n t l l eo u t s i d ei l l f o 姍a t i o na u t o m a t i c a l l y ，s ow ea r eu n a b l et oc a r r yo nm e l o n 哥d i s t a l l c e o p e 訓(xùn)o n n sd i 伍c u ht os a t i s 母t l l em o d e ml i f e 1 1 1 e r e f o r et h ed e v e l o p n l e mo f i n t e l l i g e me l e c t r i c a la p p l i a l l c e sa n dt 1 1 e i rc o 曲r o ls y s t e mh a v eb e c o m ec u r r e n tr e s e a r c h h o ts p o t t h et r a d i t i o n a lt e l 印h o n ec a i lo i l l yc o m m 皿c a t eb yv o i c e i th a ss 0m a n y s h o r t c o m i n g ss u c ha st h el o wu s ef a c t o r ，t l l el i m i t e dn m c t i o n ，m eb a ds e c u r i 哆柚ds o o n i r e c e n ty e a r s ，m ee m b e d d e dt e c h n o l o g ye x p a n d sr a p i d l y ，w i mt l l e 印p e a r a i l c eo f h i g hp e r f b 腫a n c es p e c i a l p u 叩o s ei 工l i c r o p r o c e s s o rs u c h 勰a r m ，a s 、e l l 嬲l i t l u x o p e r a _ t i i l gs y s t e m 。sa 1 1 dw i n d o w sc eo p e r a t i n gs y s t e m sc o n s 啪m a t i o n t h j sh 解 p m v i d e dt h es o r w a r e 躕dh 甜d w a r ef o u n d a t i o nf o r 血ei m e l l i g e n ti pp h o n e sr e s e a r c h 柚dd e v e l o p m e n t a tp r e s e n t ，m e 鼠嘶l yg a t e w a y sc o 皿e c t si n t e m e ti s m a i l l l yb y 晰r e d 啪y ， b e c a u s et h i sm 枷e ri ss t a b l e ，h 船l e s st i n l ed e l a y ，i sr e l i a b l ec o m p a r ew i mw i r e l e s s n e t 、o r k t or e a l i z et h ei n t e l l i g e n te l e c t r i c a la p p l i 柚c e s n e t 、) l ，0 r k ，i fw el l s ep ct o c o n 仃d li i l t e l l i g e n te l e c 仃i c a la p p l i a i l c e s ，o rl e te a c he i e c t r i c a la p p l i a n c ec o 船e c t s n e t v v o r k d i r e c t l y ，“肌l s tc o s ts o m u c h s o i t i s l l a r d t op o p u l 撕z e t l l es ”t e m f o r t h e g e n e r a lf a m i l y s ot h ea u m o rl l s e si pp h o n e ，b 嬲e d m ea i t m 9c l l i p ，w i n d o 、sc e 4 2 唧b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m ，a se l e c t r i c a la p p l i a i l c e s c o m r o lc e m e rt h ei m e l l i g c n te l e c t r i c a l 印p l i 鋤c e sb 船eo nt 王l e 刪9c h j p 鋤dt l l e1 i n u ) 【2 4o p e 枷n gs y s t e l l l ，e a c h 缸e l l i g e n t i l e l e c t r i c a la p p l i 鋤c ec a r r ) ro nt l ec o r r c s p o n d e n c ew i 也i pp h o n eb ys e r i a lp o r t 1 1 1 e 口 p h o n eu s e s n i c t oc o 皿e c t i n t e m e t t h i sw a y c m r e d u c e t l l ec o s tg r e a u y ，卸d i ss a 】f c r t h a np l ca n db l u et o o mc o m m u n i c a t i o n 1 k sa r t i c i et a l 【e st h ei pt e l e p h o n e 觚dm ei n t c l l i g 朋te l e c 仃i c a la 印l i 鋤c e s i n ! t e r c o n n e c t i o n 夠ab r e 婦u g l lp o i n t ，l l l l i f i e s 刪，e m b e d d e dl i 肌xa i l dm e n e t w o r kt e c h n o l o g y t od e s i 班o n ck i i l do fm o r ep e 疵c ti pp h o n ea 1 1 dm t e l l i g e n t e l e c 廿i c a la p p l i a l l c e s c o n 廿0 ls y s t e m i tc a u st h ei m e l l i g e md e 面c a l 印p l i a i l c e s c o l l e c t c o m p u t e r ， t e l e c o m m u n i c a t i o n鋤dc o i l s 砌p t i v ee l e c t 涮cp m d u c t s c k 響e r i s t i c 血ab o d mb ym i sm e t l l o d i tl e tt h ee l e c t r i c a la p p l i a n c e sc a ng a i n ， p r o c e s s ，眥s f e ri n f o r n l a t i o 瑚觚d s oo n 加l dc a np r o “d eo m i l i - d i r e c t i o l l a l i i l f 0 咖a t i o ne x c h a i l g e t 1 1 i sc a nh e l p 血ef 抽i l y 壯dt h ee x t e r i o rk e e pc o i 衄試訓(xùn)o n m i m p e d e d s o i tc a i lo p t i m i z et l l ep e o p l e sl i f c ，s a v em 硼o f e n e 留 1 1 1 ea u t h o rh 硒c o m p l e t e dt 1 1 es y s t 鋤h m “舊r ed e s i g na n dt l l es o r w a r ed e s i g n ， c a r r i e do nt l l ed e b u g g i n g ，a n dc o 耐l r m e dt 1 1 ev a l i d i t ya n du s a b i l i 哆o f t l l es y s t e m a i l d 仃yt om a ：k ci tb eac o i l s u 姍a t e 曲t e l l i g e me l e c t r i c a l 印p l i a i l c e sc t r o ls y s t e m k e y w o r d s ：i n t e l l i g e me l e c 砸c a la p p l i a n c e e m b e d d e ds y s t 眥 兒l 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的 研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其 他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得虞壑理王盍堂或其他教 育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何 貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 秈躲部勱伽9 年r 月2 擴(kuò)同 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解成都堡王盔堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和 借閱。本人授權(quán)成都堡王太堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù) 據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書) 學(xué)位論文儲躲郵石之 學(xué)位論文作者導(dǎo)師簽名；螺殉 乙加占年，月2 p日 第l 章引言 第1 章引言 1 1 智能家電與嵌入式系統(tǒng)概述 隨著社會的發(fā)展，人們生活和工作方式在不斷的改變，傳統(tǒng)家居模式無法滿 足人們現(xiàn)代生活的需求。因此智能家居成了近年的研究熱點(diǎn)。所謂智能家居就是 以住宅為平臺，兼?zhèn)浣ㄖ?、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、 服務(wù)、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。它利用先進(jìn)的 計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、綜合布線技術(shù)、將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)， 有機(jī)地結(jié)合在一起，進(jìn)行統(tǒng)籌管理。與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統(tǒng)的 居住功能，提供舒適安全、高品位且宜人的家庭生活空間；還由原來的被動靜止 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇又腔鄣墓ぞ?，提供全方位的信息交換功能，幫助家庭與外部 保持信息交流暢通，優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們合理安排時間，增強(qiáng)家居生 活的安全性，甚至為各種能源費(fèi)用節(jié)約資金【2 】。 智能家居構(gòu)建有很多方法，國外很多學(xué)者采用p l c 技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)組網(wǎng)， 以p c 為控制中心。本文提出一種采用嵌入系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方法。所謂嵌入式系統(tǒng)是 以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和微電子技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬 件可裁剪，適應(yīng)于對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機(jī) 系統(tǒng)，是計算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中相結(jié)合的系統(tǒng)p j 。通 常，一個完整的嵌入式系統(tǒng)由處理器、外圍設(shè)備、操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序四部分組 成，主要用于實(shí)現(xiàn)對其他設(shè)備的實(shí)時控制、監(jiān)視、管理、數(shù)據(jù)處理等各種自動化 處理任務(wù)。目前嵌入式技術(shù)廣泛應(yīng)用于手持設(shè)備、工業(yè)控制和醫(yī)療電子等。 1 2 智能家電控制方法 在智能家居技術(shù)中，智能化家庭控制網(wǎng)絡(luò)是研究的關(guān)鍵。目前國外用得比較 多的方法有三種： 1 2 1 電力載波p l c 通迅技術(shù) 所謂p l c ，即電力線通信，是指利用電力線傳輸數(shù)據(jù)和語音信號的一種通信 方式。該技術(shù)是把載有信息的高頻信號加載于電流，然后用電線傳輸，接受信息 的調(diào)制解調(diào)器再把高頻從電流中分離出來，并傳送到計算機(jī)或電話，以實(shí)現(xiàn)信息 傳遞。該技術(shù)在不需要重新布線的基礎(chǔ)上，在現(xiàn)有電線上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音和視頻 等多業(yè)務(wù)的承載2 1 。 成都理1 j 大學(xué)碩士學(xué)位論文 但是，這種方案對于主要是針對北美電網(wǎng)設(shè)計的，由于我國電力網(wǎng)，環(huán)境惡 劣，p l c 通信對電網(wǎng)產(chǎn)生干擾，我國一些地方電力部門禁止使用p c l 通信。 1 2 2 藍(lán)牙通訊技術(shù) 藍(lán)牙通訊是一種低功率短距離的無線連接技術(shù)，其設(shè)計初衷就是將智能移動 電話與筆記本電腦、掌上電腦以及各種數(shù)字化的信息設(shè)備都能不再用電纜，而是 用一種小型的、低成本的無線通信設(shè)備連接起來，進(jìn)而形成種個人身邊的網(wǎng)絡(luò)， 使得在其范圍之內(nèi)各種信息化的移動便攜設(shè)備都能無縫地實(shí)現(xiàn)資源共享。現(xiàn)在國 外有學(xué)者把它引入到智能家電控制中。藍(lán)牙通訊最大傳輸距離為1 0 米，傳輸距 離有很大的限制，而且不能在多房間進(jìn)行傳輸。使用藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行通信的設(shè)備， 分為“主叫方”和“受取方”。主叫方只能同時與7 臺受取方通信，在家電數(shù)量 眾多的現(xiàn)代家庭中，這一限制影響了家庭控制網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建【2 】。 1 2 3 基于e t 技術(shù)的智能家電控制 i n t e m c t 技術(shù)的成熟，使得很多研究者致力于將該技術(shù)引入到智能家電遙操 作領(lǐng)域【2 j 。但因特網(wǎng)不是實(shí)時通信網(wǎng)，它采用的分組交換方式存在“時延”問題。 “時延”是從信息發(fā)出到信息收取經(jīng)過的時間。因特網(wǎng)傳輸?shù)臑閿?shù)字編碼信號， 要把數(shù)字化的信號分組、打包，還要用存儲轉(zhuǎn)發(fā)的路由方式傳送；在接收端還 要解碼、復(fù)原等，因此增加了很多如編碼、解碼、緩存等時延。如果遇到網(wǎng)路擁 擠的情況，等待轉(zhuǎn)發(fā)可能導(dǎo)致隨機(jī)時延，甚至還會造成數(shù)據(jù)分組丟失。 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，監(jiān)督命令和反饋信號都是基于時問變量的。而基于因特 網(wǎng)的智能家電遙操作系統(tǒng)的控制端和被控制端很難在時間上保持同步，這樣會引 起整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定，如果不加改進(jìn)地引入到智能家電控制領(lǐng)域，將存在一定的 安全隱患。 為此，筆者在文章引入了一種基于事件的控制算法。該方法可避開隨機(jī)時延 問題，其理論的基本點(diǎn)在于引入一個不同于時間的新參變量，該參變量以傳感器 信息為依據(jù)，隨控制過程的進(jìn)行而更新，系統(tǒng)的理想輸出控制命令是該參量的函 數(shù)。在系統(tǒng)控制過程中，根據(jù)輸入的參變量修正系統(tǒng)的目標(biāo)輸出值，使得系統(tǒng)操 作過程成為動態(tài)過程。在本系統(tǒng)中通過通用1 0 口獲取傳感器的信息。 1 3i p 電話 所謂m 電話，就是在i t e m e t 網(wǎng)上通過t c p i p 協(xié)議或u d p 協(xié)議傳送語音 信息的電話系統(tǒng)。最初的i p 電話技術(shù)，只是計算機(jī)對計算機(jī)的語音傳輸技術(shù)。 雙方用戶都通過h l t e n 塢t 聯(lián)網(wǎng)，這種方法同時要具備口電話軟件、音頻卡、麥克 2 第1 章引言 風(fēng)和揚(yáng)聲器等設(shè)備。比如我們常用的有：微軟公司的m s n 、騰訊公司的q q 等。 雖然能通話，但p c 機(jī)體積大、價格高，因此使用范圍很有單一，還算不上是真 正的i p 電話。近年來，美國一些大公司推出了用因特網(wǎng)傳送國際長途電話的業(yè) 務(wù)，實(shí)現(xiàn)了從普通電話機(jī)到普通電話機(jī)的i p 電話。i p 電話已經(jīng)通過網(wǎng)關(guān)把因特 網(wǎng)與傳統(tǒng)電話網(wǎng)聯(lián)系起來，用戶可以和普通電話用戶一樣，只要有電話機(jī)就能打 i p 電話，而通話費(fèi)用遠(yuǎn)比普通電話的低【2 】。但傳統(tǒng)的i p 電話利用率低，且功能 有限，例如：只有語音功能，沒有收發(fā)短信和視頻功能；安全性不好，很容易被 盜聽；沒有拒接電話功能；更改家庭住址后可能要變更電話號碼等缺點(diǎn)。 1 4 i p 電話與智能家電通信技術(shù) 近年來，以a r m 為代表的高性能專用微處理器的出現(xiàn)，以及l(fā) i 肌x 、w i n d o w s c e 等操作系統(tǒng)的完善，使嵌入式技術(shù)迅速發(fā)展，這為智能i p 電話和智能家電的 研發(fā)提供了軟硬件基礎(chǔ)。目前，國外一些大電器公司，如西門子、飛利浦等都相 繼推出了一系列智能i p 電話和智能家電，它們占據(jù)了大量的市場份額，而國內(nèi) 在這方面的研究相對落后。 魯 圖1 - l 網(wǎng)絡(luò)連接原理 針對我國的現(xiàn)狀，依據(jù)家庭網(wǎng)絡(luò)通訊具有傳數(shù)據(jù)量較少的特點(diǎn)，采用串口實(shí) 現(xiàn)智能化家庭控制網(wǎng)絡(luò)，并將電話通信系統(tǒng)與家電遙操作控制系統(tǒng)集成于一體， 可大量降低成本。本研究采用a r m 芯片，基于w i n d o w sc e4 2 ( 以下簡稱w i n c e ) 操作系統(tǒng)，構(gòu)建客戶端i p 電話系統(tǒng)，該i p 電話系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)語音、短信和遙操作 智能家電等功能。采用v c 編寫服務(wù)器程序，服務(wù)器負(fù)責(zé)各客戶端i p 電話的調(diào) 度、計費(fèi)等。為每一個i p 電話分配一個固定電話號，當(dāng)口電話請求聯(lián)結(jié)時，它 首先向服務(wù)器發(fā)送p 地址與電話號捆綁數(shù)據(jù)包，服務(wù)建立口電話與電話號碼的 對應(yīng)關(guān)系表。打電話時，利用對方的電話號碼在服務(wù)器上獲得相應(yīng)的i p ，這樣 成都理：i ：人學(xué)碩+ 學(xué)位論文 就可實(shí)現(xiàn)兩個i p 電話的通信。一方i p 電話發(fā)送命令，經(jīng)i n t e m e t 網(wǎng)傳輸?shù)綄Ψ?后，通過串口與智能家電通信，控制智能家電，從而實(shí)現(xiàn)遙操作。原理如圖1 1 。 由于各家電生產(chǎn)廠商都有不同的控制接口，這在一定程度上給控制網(wǎng)絡(luò)帶來 不便。為此筆者提出了一個統(tǒng)一的接口，并定義了各種不同家電的接口協(xié)議，以 便實(shí)現(xiàn)各家電與i p 電話互聯(lián)。智能家電采用a r m 9 芯片，l i n u x 操作系統(tǒng)。智 能家電與i p 電話采用串口通信，智能家電中的a r m 9 芯片采用i o 口控制家電 設(shè)備。 1 5 研究的意義和目的 盡管智能家居技術(shù)有了相當(dāng)大的發(fā)展，但在智能家電網(wǎng)絡(luò)化方面，還存在諸 多的不足。本文提出了一種以嵌入式i p 電話為控制中心的智能家電網(wǎng)絡(luò)接入因 特網(wǎng)的方案，采用串口對各智能家電進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，這樣能通過i p 電話對控制 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。同時各智能家電能通過i p 電話這個控制中實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。 對智能家居來說，其意義在于采用電話就可以隨時隨地監(jiān)控家電的運(yùn)行情況。雖 然家庭子網(wǎng)串口通信的方式增加了少量布線，但增強(qiáng)了其隱定性，避免了大量無 線設(shè)備的使用，從而降低了成本，而且也便于智能家電使用統(tǒng)一的硬件接口方案， 對各種不同的家電只要修改相應(yīng)的控制軟件就可以滿足實(shí)際需求。盡管我國智能 家居在有關(guān)核心技術(shù)、獨(dú)立產(chǎn)品等多方面落后于發(fā)達(dá)國家，但由于國內(nèi)外都處于 探索階段，尚未形成壟斷，同時國內(nèi)又有潛在的龐大的消費(fèi)群體。因此，通過計 算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和嵌入式技術(shù)把坪電話與智能家電有機(jī)結(jié)合，在后p c 時代i t 產(chǎn) 業(yè)發(fā)展中有廣闊的發(fā)展前景。 1 6 研究要點(diǎn) 本文以研究利用i p 電話控制智能家電為切入點(diǎn)，通過對該項(xiàng)領(lǐng)域的探索、 研究。提出了采用口電話作為控制中心的組網(wǎng)方案，設(shè)計了一套統(tǒng)一的智能家 電接口，并且把一些新的控制算法引到該領(lǐng)域，以解決遠(yuǎn)程控制的時延問題。通 過該系統(tǒng)，可通過遠(yuǎn)程i p 電話及時了解家電的各種運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)智能家電的 遠(yuǎn)程控制，各智能家電將收集到的各種信息送到i p 電話，i p 電話根據(jù)數(shù)據(jù)的特 點(diǎn)讓各智能家電協(xié)同工作，使其能根據(jù)現(xiàn)場情況做出相應(yīng)的調(diào)整和控制。為系統(tǒng) 地說明問題，論文將研究要點(diǎn)在以下各章節(jié)分別詳細(xì)論述。 4 第2 章基于a r 心4 1 0 的i p 電話硬件設(shè)計 第2 章基于a 剛2 4 1 0 的i p 電西硬件設(shè)計 2 1 刪系列芯片及選型方法 本系統(tǒng)采用的是a 砌啦4 1 0 處理器芯片，下面對相關(guān)知識進(jìn)行一個簡單的介 紹。刪公司是一家專門從事基于r j s c 技術(shù)芯片設(shè)計開發(fā)的公司，它不直接 從事芯片生產(chǎn)，主要向其它半導(dǎo)體公司出售p 核知識產(chǎn)權(quán)。半導(dǎo)體生產(chǎn)商從a 刪 公司購買其設(shè)計的a r m 微處理器核，根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入適當(dāng)?shù)耐?圍電路，從而形成自己的a r m 微處理器芯片。這樣刪技術(shù)可獲得更多的第 三方軟硬件支持，從而使整個系統(tǒng)成本降低，更具有競爭力。目前a r m 芯片在 工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等領(lǐng)域占有廣泛的 市場份額。 刪公司開發(fā)了很多系列的a r m 核，分別是a r m 7 系列、刪9 系列、 a r m l o 系列和s t m n 趴r m 等系列。各廠商基于a r m 體系結(jié)構(gòu)的處理器，除了 具有刪體系結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)以外，其中每一系列又根據(jù)其特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域不 同包含的功能模塊也不同，又形成不同的系列。目前生產(chǎn)a i t m 芯片的著名公司 主要有i i l t c l 和三星等廠商。 在眾多的a r m 芯片家族中，為了降低產(chǎn)品成本，方便產(chǎn)品開發(fā)，不同的應(yīng) 用的選型是不同的。本系統(tǒng)中口電話構(gòu)建所使用的是w i n c e 操作系統(tǒng)，該操作 系統(tǒng)需要使用虛擬內(nèi)存，a r m 9 芯片中提供的m m u 是內(nèi)存管理單元，可以滿足 這一要求。m m u 用來管理內(nèi)存系統(tǒng)，它可以“動態(tài)地”重新定位內(nèi)存空間，并 對其進(jìn)行有效的管理。它控制內(nèi)存的訪問權(quán)限和將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址。利 用m m u 操作系統(tǒng)可以把邏輯地址空間跟實(shí)際的物理存儲器屏蔽開來，從而使程 序員只需關(guān)心操作系統(tǒng)給出的編程接口而無需關(guān)心底層物理存儲器的調(diào)度。當(dāng)然 如果使用u c l i n u x 則可以不需要m m u 的支持，就可采用a r m 7 t d m i 芯片，但 這會增加高端多媒體軟件開發(fā)難度。系統(tǒng)的工作頻率在很大程度上決定了a r m 芯片的處理能力。本系統(tǒng)開發(fā)中占用資源較多的是語音傳輸，a r m 9 芯片的工作 頻率為2 0 0 m h z ，可以滿足這一要求。串口控制方面所占用的資源相對較少。 a 劇9 芯片有足夠的通用i o 接口，可以滿足系統(tǒng)開發(fā)的要求。考慮到i p 電話裝 的w i n c e 操作系統(tǒng)大約占3 0 m 的存貯空間，所以外部擴(kuò)展f l a s h 存儲器。本 系統(tǒng)要用到的接口主要有h s 音頻接口、l c d 控制器、d m a 控制器、網(wǎng)絡(luò)接口、 串行口和通用i o 口等i j j 。 綜合以上各因素并結(jié)合實(shí)際需要，本系統(tǒng)選用三星公司的s 3 c 2 4 1 0 a 微處理 器，這樣具有較高的性格比。下面對該芯片相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行一個簡單的介紹。 成都理t ：火學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2a r m s 3 c 2 4 1 0 芯片的特點(diǎn) 傳統(tǒng)的c i s c 復(fù)雜指令集計算機(jī)結(jié)構(gòu)處理器設(shè)計復(fù)雜，指令集使用率不高。 而i u s c 精簡指令集計算機(jī)優(yōu)先選取使用頻率最高的簡單指令，避免復(fù)雜指令， 將指令長度固定，指令格式和尋地方式種類減少。a r m 處理器是基于i u s c 技 術(shù)的，它共有3 7 個3 2 位寄存器，被分為若干個組，這些寄存器包括：3 1 個通 用寄存器，包括程序計數(shù)器。6 個3 2 位狀態(tài)寄存器，用以標(biāo)識c p u 的工作狀態(tài) 及程序的運(yùn)行狀態(tài)。同時，a r m 處理器又有7 種不同的處理器模式，在每一種 處理器模式下均有一組相應(yīng)的寄存器與之對應(yīng)。在所有的寄存器中，有些是在7 種處理器模式下共用同一個物理寄存器，而有些寄存器則是在不同的處理器模式 下有不同的物理寄存器。在任意一種處理器模式下，可訪問的寄存器包括1 5 個 通用寄存器( r 0 r 1 4 ) 、一至兩個狀態(tài)寄存器和程序計數(shù)器吼 s 3 c 2 4 1 0 芯片是三星公司推出的3 2 位r j s c 處理器，適用于手持設(shè)備，數(shù) 字多媒體播放設(shè)備等具有低價、低功耗和高性能等特點(diǎn)。采用刪9 2 0 t 內(nèi)核，具 有以下特點(diǎn)：5 級整數(shù)流水線，提供1 1 m i p s m h z 的哈佛結(jié)構(gòu)，支持3 2 位刪 指令集和1 6 位t h 岫b 指令集，支持3 2 位的高速a m b a 總線接口，全性能的 m m u ，支持w i n d o w sc e 、l i n u ) 【等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)，支持?jǐn)?shù)據(jù)c a c h c 和指令c a c h e 【孫。 該芯片提供了以下豐富的內(nèi)部設(shè)備：m m u 虛擬存儲管理，l c d 控制器， 端口，r t c ，觸摸屏接口，內(nèi)部p l l 時鐘倍頻器等，消除了為系統(tǒng)配置額外器 件的需要，大大減少了整個系統(tǒng)的成本。它支持n a n df l a s h 系統(tǒng)引導(dǎo)。具有 更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力。 a r m 芯片具有融s c 體系的一般特點(diǎn)：它具有大量的寄存器，絕大多數(shù)操 作都在寄存器中進(jìn)行；通過l o a d s t o r e 的體系結(jié)構(gòu)在內(nèi)存和寄存器之間傳遞數(shù) 據(jù)；尋址方式簡單，采用固定長度的指令格式。除此之外，刪體系結(jié)構(gòu)采用 了一些特別的技術(shù)，在保證高性能的同時盡量減少芯片面積和功耗。這些技術(shù)包 括：在同一條數(shù)據(jù)處理指令中包含算術(shù)邏輯處理單元處理和位移處理；使用地址 自動增加( 減少) 來優(yōu)化程序中循環(huán)處理；l o a d s t o r e 指令可以批量傳輸數(shù)據(jù)， 從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?；所有指令都可以根?jù)前面指令執(zhí)行結(jié)果，決定是否執(zhí) 行，以提高指令執(zhí)行的效率。除了以上特點(diǎn)之外，刪體系結(jié)構(gòu)還增加了一些 特殊功能擴(kuò)展，包括以下幾個部分：1 1 1 啪b 指令集，1 1 1 咖曲指令集是刪的一 個子指令集。a r m 指令長度為3 2 位，n u m b 指令長度為1 6 位。使用t h u i 曲 指令集可以得到密度更高的代碼，可以進(jìn)一步減少可執(zhí)行文件的大小，從而減少 存貯器的大小，降低成本。長乘法指令，增加了兩條長乘法的a i t m 指令。增強(qiáng) 型d s p 指令，包含了一些附加的指令，這些指令用于增強(qiáng)處理器對一些典型的 6 第2 章基丁- a r m 2 4 l o 的i p 電話硬什設(shè)計 d s p 算法的處理性能。a r m 媒體功能的擴(kuò)展，為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)提供了高性能 的音頻、視頻處理技術(shù)。結(jié)構(gòu)如圖2 1 【3 1 。 2 3 i p 電話硬件設(shè)計 圍2 1a r m 芯片結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 本系統(tǒng)i p 電話采用a r m 9 芯片，運(yùn)行w m c e 操作系統(tǒng)?？陔娫捰布M成 框圖如圖2 2 ，包括系統(tǒng)電路和外圍接口電路。 圖2 - 2i p 電話硬件組成框圖 成都理l ：人學(xué)碩+ 學(xué)位論文 2 3 1 系統(tǒng)板電路 在運(yùn)行操作系統(tǒng)之前，需要對系統(tǒng)的軟硬件資源進(jìn)行合理的配置與管理。這 個功能是由b o o t l o a d e r 來完成的。在嵌入式系統(tǒng)中，b o o t l o a d e r 的作用與p c 機(jī) 上的b i o s 類似，通過b o o t l l o a d e r 可以完成對系統(tǒng)板上的主要部件如c p u 、 f l a s h 、 s d r a m 、串行口等進(jìn)行初始化，從而為操作系統(tǒng)的運(yùn)行創(chuàng)造良好的 環(huán)境。同時也可以下載文件到系統(tǒng)板、對f l a s h 進(jìn)行擦除與編程。 b 0 0 t l o a d e r 作為系統(tǒng)復(fù)位或上電后首先運(yùn)行的代碼，存放在起始物理地址為 o ) 【0 開始的f l a s h 存儲器中。本系統(tǒng)采用s s t 公司的s s t 3 9 v f l 6 0 l 型線性n o r f l a s h 存儲b o o t l o a d e r ，由并n g c s o 片選信號用于啟動引導(dǎo)。這樣當(dāng)系統(tǒng)啟動 時o x 0 地址程序開始運(yùn)行。由于i p 電話中運(yùn)行的操作系統(tǒng)為w i n c e ，整個系統(tǒng) 鏡像文件大約3 0 m ，因此采用三星公司k 9 f 1 2 0 8 非線性n a n df l a s h 芯片存 儲，由a r m 的n a n df l a s h 控制器對它進(jìn)行讀寫操作。系統(tǒng)時鐘采用外部 1 2 m h z 晶振，r t c 采用3 2 7 6 8 h z 晶振。 幽2 - 3 電非電路 由于a r m 2 4 1 0 需要1 8 v 和3 3 v 兩組電源，所以采用s p x l l l 7 m 3 1 8 型 l d o 芯片產(chǎn)生穩(wěn)壓電源。核心板需要擴(kuò)展板提供一組3 3 v 電源，1 8 v 內(nèi)核電源 則由核心板上的l d o 芯片產(chǎn)生，電路如圖2 3 4 】。 在核心板的復(fù)位電路中使用了m a x 8 0 9 ) 作為電源監(jiān)控復(fù)位芯片，以提高 系統(tǒng)的可靠性。電路原理如圖2 - 4 【4 】。 圖2 - 4 復(fù)位電路 s 3 c 2 4 l o a 可以使用外部晶振或外部時鐘輸入作為系統(tǒng)時鐘。外部晶振頻率 范圍是1 0 m h p 2 0 m h z 。核心板采用了1 2 m h z 外部晶振，所以將芯片的0 m 2 、 o m 3 引腳接低電平，并將e x t c l k 引腳接高電平。通過s 3 c 2 4 1 0 a 內(nèi)部的鎖相 8 第2 章基于a r m 2 4 1 0 的i p 電話硬件設(shè)計 環(huán)，可以將時鐘倍頻至2 0 3 z 作為處理器主時鐘。獨(dú)立時鐘源r t c 由x 1 d n c 和x t i n c 引腳上接的3 2 7 6 8 h z 石英晶振提供。電路如圖2 5 【4 】。 圍2 - 5 系統(tǒng)時鐘 本系統(tǒng)擴(kuò)展了一片n o rf l a s h 芯片，使用n g c s o 片選信號，這主要是為 了使用其來啟動引導(dǎo)系統(tǒng)，它被分配到b a l l l 【o 存儲空間，使用n g c s 0 片選信號。 核心板上使用了2 片h y 5 7 v 6 5 1 6 2 0 芯片作為s d r a m 存儲器，并使用了 n g c s 6 片選信號。通過將兩芯片的數(shù)據(jù)線分別與數(shù)據(jù)總線的高1 6 位和低1 6 位 相連，實(shí)現(xiàn)3 2 位的數(shù)據(jù)總線寬度。由于讀寫操作以4 字節(jié)為單位，并要求地址 對齊，所以地址最小變化為o x 4 。因此要忽略s 3 c 2 4 l o a 的a d d r 0 和a d d r l 引腳。所以將s 3 c 2 4 1 0 a 的a d d r 2 引腳與r a m 芯片的a 0 引腳連接，其它地 址線依次連接。為了能夠正確訪問h y 5 7 v 6 5 6 2 0 的高低位字節(jié)數(shù)據(jù)，將n 、v b e x 信號與r a m 芯片的u d q m l d q m 相連。h y 5 7 v 6 5 1 6 2 0 的b a o 、b a l 引腳是 s d r a m 內(nèi)部b a n k 地址選擇線，代表了s d r a m 內(nèi)存地址的最高位，6 4 m b 的 s d r a m 需要2 6 根地址線尋址，因此需將b a 0 、b a l 連接到a d d r 2 4 、a d d r 2 5 引腳。 n a n df 1 a s h 存儲器采用k 9 f 1 2 0 8 u o b 芯片，把它與s 3 c 2 4 1 0 a 內(nèi)部已經(jīng)集 成的n a n df l a s h 控制器相應(yīng)的引腳相連即可。 2 3 2 外圍接口電路 本系統(tǒng)開發(fā)中用到的接口包括串口、以太網(wǎng)口、音頻接口、l c d 及觸摸屏 接口等，下面對這幾個方面的接口電路做簡單的介紹。 r s 4 8 5 串口采用差分信號負(fù)邏輯，+ 2 v + 6 v 表示“o ”，一6 v - 2 v 表示“l(fā) ”。 r s 4 8 5 有兩線制和四線制兩種接線，四線制只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式，兩線 制接線方式為總線式拓樸結(jié)構(gòu)。在r s 4 8 5 通信網(wǎng)絡(luò)中一般采用的是主從通信方 式，即一個主機(jī)帶多個從機(jī)。由于系統(tǒng)是3 3 v ，所以使用s p 3 4 8 5 電平轉(zhuǎn)換。s p 3 4 8 5 是3 3 v 工作電源的半雙工r s 4 8 5 收發(fā)器。如圖2 6 m 】。 9 成都理j ：人學(xué)碩+ 學(xué)位論文 r s 4 8 5 t p 3 i 圖2 _ 6r s 4 8 5 電源電路 本系統(tǒng)使用d m 9 0 0 0 e 芯片作為1 0 1 0 0 m 以太網(wǎng)控制器。電路使用1 6 位總 線方式進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)總線d a l r a o d a r a l 5 與芯片的s d o s d l 5 相連，地址線 也同樣進(jìn)行相對應(yīng)的連接，而片選線n g c s 3 與芯片的a e n 相連。系統(tǒng)中使用 s 3 c 2 4 1 0 a 的地址線a d d r 2 連接到芯片的命令數(shù)據(jù)使能端c m 。由于 d m 9 0 0 0 e 的工作基地址是0 x 3 0 0 ，所以對其進(jìn)行操作的地址端口是0 x 3 0 0 ，數(shù)據(jù) 端口是0 x 3 0 4 。因而結(jié)合s 3 c 2 4 1 0 a 的片選線得到的3 2 位地址端口為 o x l 8 0 0 0 3 0 0 ，數(shù)據(jù)端口為o x l 8 0 0 0 3 0 4 。接口電路的連接如圖2 7 【4 】。 鴦蓁 一。捌囂 霜委 = 瑚= ： 習(xí)塾 盞譽(yù) 雪| 薰 矧囂= 蜊鼎 霉d 件_ 摹，礦 m 一乓沖 手專 辜 對 攀辮k b 髖 器粵_ 犁盱甚1 。 _ ，脯 事 圖2 - 7 網(wǎng)卡接口電路 s 3 c 2 4 1 0 a 內(nèi)置有l(wèi) c d 控制器，可以支持最大2 5 6 k 色t f t 彩色液晶顯示 屏和最大4 k 色的s t n 彩色液晶顯示屏。本系統(tǒng)i p 電話端省去了鍵盤，采用觸 模屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。為了能清晰的顯示，選用s h a r p 公司的l q 0 8 0 v 3 d g o l 型8 英寸、分辨率為6 4 0 x 4 8 0 的t f t 液晶屏。此液晶屏采用5 v 電源供電，最小值 為2 3 v ，可直接與s 3 c 2 4 1 0 a 的控制口線相連。l q 0 8 0 v 3 d g 0 1 液晶屏有1 8 根 數(shù)據(jù)線( r 、g 、b 各6 根) 。s 3 c 2 4 1 0 a 的控制器應(yīng)選用1 6 b p p 模式，將s 3 c 2 4 1 0 a 的v d 2 、廠d 7 與液晶屏的b 0 b 5 相連，v d l 0 v d l 5 與g o g 5 相連，v d l 8 v d 2 3 1 0 第2 章基丁ia r m 2 4 1 0 的i p 電話硬件設(shè)計 與r 0 r 5 相連。電路連接原理如圖2 8 。l q 0 8 0 v 3 d g 0 l 液晶屏使用冷陰極背光 燈管，需要高壓交流電源供電。本系統(tǒng)采用c 砒1 0 a 驅(qū)動模塊作為驅(qū)動電路， 如圖2 9 【4 1 。 圖2 - 8 顯卡接口電路 m m u 叫 m m n m e u a 目) c 啪 口萄 圖2 - 9 背光燈管驅(qū)動電路 s 3 c 2 4 1 0 a 內(nèi)置有s 音頻接口，只需要外接一個數(shù)字音頻編解碼器即可實(shí) 現(xiàn)音頻的輸入輸出。本系統(tǒng)中采用的數(shù)字音頻編解碼器為u d a l 3 4 1 t s ，電路如 圖2 1 0 【4 】。為了擴(kuò)大音量，本系統(tǒng)中加入了雙聲道功率放大電路，如圖2 1 1 【4 1 。 圖2 1 0 聲卡接口電路 l l 成都理【：大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 1 l 雙蘆遁功率放大電路 在智能家電端，控制智能家電采用a r m 芯片的通用i o 口，共使用8 個i o 口，各口的功能定義如下：i o 口l 、2 用于控制家電的電源開關(guān)，i o 口3 用于控 制家電的j 下逆運(yùn)行模式，i o 口4 、5 、6 的8 種組合根據(jù)不同的家電實(shí)現(xiàn)不同的 控制，i o 口7 、8 用于獲取家電的運(yùn)行狀態(tài)，這在應(yīng)用舉例中將做介紹。各用于 輸出的接口使用p n p 三極管作驅(qū)動，電路如圖2 1 2 。 圍2 1 2 通用i o 口電路 1 2 第3 章i p 電話端軟件系統(tǒng)設(shè)計 第3 章 lp 電話端軟件系統(tǒng)設(shè)計 3 1 嵌入式操作系統(tǒng)概述 嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，對系 統(tǒng)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。它的目的性或 針對性很強(qiáng)，具有軟件代碼小、高度自動化、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。 嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)和功能軟件集成于計算機(jī)硬件系統(tǒng)之中，也就是軟件 與硬件的一體化。對上層應(yīng)用開發(fā)者而言，嵌入式操作系統(tǒng)要求高度簡練、界面 友善、質(zhì)量可靠、應(yīng)用廣泛、易開發(fā)、多任務(wù)，并且價格低廉。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)連 接底層硬件和上層的應(yīng)用程序，為用戶提供a p i 函數(shù)。這樣用戶無需關(guān)心底層的 硬件以及驅(qū)動程序，只需利用提供的a p i 函數(shù)進(jìn)行開發(fā)，大量減輕了應(yīng)用程序的 開發(fā)難度和工作量。同時用戶在微控制器上進(jìn)行t c p i p 或者u d p 仃p 協(xié)議棧的 開發(fā)難度比較大，這樣可以充分利用操作系統(tǒng)上已有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，使用協(xié)議棧 提供的接口函數(shù)進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)i “。 目前嵌入式操作系統(tǒng)，有v x w o r k 、i n c e 和l i n u x 等。l i n u x 是源代碼開 放的操作系統(tǒng)，支持不同的配置，能方便的移植到多種體系結(jié)構(gòu)的嵌入式處理器 中，而且成本低。w i n c e 操作系統(tǒng)是商業(yè)化產(chǎn)品，價格高，源代碼的封閉性大 量限制了開發(fā)者使用。下面對其特點(diǎn)進(jìn)行簡要介紹。 3 2w i n c e 操作系統(tǒng)的特點(diǎn) w i n c e 是一模塊化、結(jié)構(gòu)化的操作系統(tǒng)，可以被剪裁、配置。它的內(nèi)核很 小，基本只實(shí)現(xiàn)調(diào)度、內(nèi)存管理和核心a p i ，其它功能都在單獨(dú)的模塊中實(shí)現(xiàn)。 它具有多線程、多任務(wù)、完全搶占式和出色的圖形用戶界面等特點(diǎn)，支持內(nèi)存管 理、文件操作與網(wǎng)絡(luò)功能1 7 j 。 w i n c e 是面向硬件資源有限的模塊化實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)。它的模塊化設(shè) 計使嵌入式系統(tǒng)和應(yīng)用開發(fā)者能夠方便地定制以適應(yīng)一系列不同的產(chǎn)品，是專門 為各種資源有限的硬件系統(tǒng)設(shè)計的?？蔀橄M(fèi)類電子設(shè)備、w 曲終端、i n t e m e t 訪問應(yīng)用設(shè)備、專用工業(yè)控制器、移動數(shù)據(jù)獲取手持設(shè)備及嵌入式通信設(shè)備提供 軟件系統(tǒng)驅(qū)動。具有以下主要特點(diǎn)l ”。 成都理i ：人學(xué)碩十學(xué)位論文 3 2 1 良好的軟件兼容性 w i n c e 繼承了傳統(tǒng)的w i n d o w s 圖形界面，使用與w i n d o w s 平臺同樣的應(yīng)用 程序接口函數(shù)，具有w i n 3 2 a p i 子集，使用同樣的界面風(fēng)格。因此，絕大多數(shù)的 應(yīng)用軟件只需簡單的修改和移植就可以在該平臺上繼續(xù)使用。在w i n c e 中，除 了一些基本的w i n d o w s 通用控件以外，還有一些專門設(shè)計的控件。 3 2 2 硬件支持能力強(qiáng) w i n c