基于XScale PXA270處理器實現(xiàn)多功能信息交互系統(tǒng)的設(shè)計

傳統(tǒng)的信息交互系統(tǒng)大多基于PC-Internet平臺，采用Web方式來完成信息交互的功能。但由于PC機體積較大、成本偏高，因此采用PC機作為信息交互系統(tǒng)的終端并不能很好地滿足便攜性和性價比的要求。而嵌入式系統(tǒng)與普通的PC機系統(tǒng)相比，具有體積小、成本低、軟硬件均可根據(jù)不同的應(yīng)用進行定制等優(yōu)點。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。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計

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，同時也能通過觸摸屏來獲取更多需要的信息。PC服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫存儲著供用戶交互的信息，同時也管理著信息終端上由用戶發(fā)布的信息，通過設(shè)計服務(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)板和各硬件擴展模塊組成。

IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會）對嵌入式系統(tǒng)的定義：“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設(shè)備的裝置”。原文為：Devices Used to Control，Monitor or Assist the Operation of Equipment，Machinery or Plants）。這主要是從應(yīng)用對象上加以定義，從右圖中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機械等附屬裝置。 國內(nèi)普遍認同的嵌入式系統(tǒng)定義為：以應(yīng)用為中心，以計 嵌入式Web技術(shù)

算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。 可以這樣認為，嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計算機系統(tǒng)，作為裝置或設(shè)備的一部分。通常，嵌入式系統(tǒng)是一個控制程序存儲在ROM中的嵌入式處理器控制板。事實上，所有帶有數(shù)字接口的設(shè)備，如手表、微波爐、錄像機、汽車等，都使用嵌入式系統(tǒng)，有些嵌入式系統(tǒng)還包含操作系統(tǒng)，但大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是是由單個程序?qū)崿F(xiàn)整個控制邏輯

2.1 Liod開發(fā)板特點

Liod開發(fā)板以Intel XScale PXA270微處理器為核心，其主頻高達520 MHz，支持Intel Wireless MMX 及Speed Step技術(shù)，核心板加底板設(shè)計，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。同時提供了160×2 pin核心板擴展接口及110 pin底板擴展接口，便于在Liod平臺基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)。

2.2 GSM擴展模塊

為了實現(xiàn)用戶手機與信息終端進行信息交互，系統(tǒng)需要在Liod平臺的串口上擴展GSM通信模塊來實現(xiàn)手機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系列性價比高、穩(wěn)定性好，故選用西門子TC35i進行GSM擴展模塊設(shè)計。

TC35i共有40個引腳，通過ZIF連接器分別與電源電路、啟動與關(guān)機電路、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。啟動電路則由自動和手動上電復(fù)位電路組成。本模塊以MAXIM公司的MAX232CPE芯片為核心，實現(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。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單片機進行該模塊的設(shè)計。C8051F007有8個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)。該模塊可擴展多個煙感探頭和雙鑒探頭，可將傳感器輸出的開關(guān)信號作上拉和保護處理送入I/O。本模塊擴展了溫濕度傳感器、煙感探頭、雙鑒探頭和無線射頻識別模塊。其電路原理框圖如圖3所示。

2.4 無線射頻識別模塊

在設(shè)計無線射頻識別模塊時，需要考慮該模塊的工作頻率、作用距離、安全要求和存儲容量。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標準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)則是將終端負載變量信號解調(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實現(xiàn)了1個較為完整的低成本射頻讀卡器方案。

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)軟件選型

為了便于系統(tǒng)管理員對整個系統(tǒng)進行快捷的信息管理，系統(tǒng)服務(wù)器端硬件選擇普通的PC機，使用Windows操作系統(tǒng)，并選用SQL Server 2000作為整個服務(wù)器端的后臺數(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)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口、通信協(xié)議等。嵌入式操作系統(tǒng)占用空間小，其特點主要體現(xiàn)在可裁剪性、實時性和可靠性等方面。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

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)，并對信息進行管理。圍繞服務(wù)器端的主要功能，還需要具體設(shè)計和實現(xiàn)以下2個輔助程序模塊：

（1）SQL Server 2000數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

標準數(shù)據(jù)庫SQL Server 2000安裝在PC服務(wù)器上，為信息瀏覽時的網(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和擴展的嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite，本設(shè)計編寫了數(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)，同時為信息發(fā)布的Web頁面提供顯示數(shù)據(jù)。該程序的實現(xiàn)主要包括3個方面：數(shù)據(jù)的輸入、數(shù)據(jù)庫操作的實現(xiàn)、2個數(shù)據(jù)庫的協(xié)調(diào)同步。

3.3 信息終端軟件設(shè)計

信息終端選用Linux操作系統(tǒng)，其應(yīng)用軟件設(shè)計主要圍繞GSM短信交互功能展開，同時實現(xiàn)了各擴展功能參數(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）手機短信交互模塊

本系統(tǒng)利用串口做通信接口，并選用西門子TC35i無線模塊作為核心組件來搭建硬件電路。TC35i主要由基帶處理器、射頻模塊、供電模塊、閃存、ZIF連接器和天線接口等六部分組成。它的正常運行需要相應(yīng)的外圍電路與其配合。TC35i共有40個引腳，可通過ZIF連接器分別與電源電路、啟動與關(guān)機電路、數(shù)據(jù)通信電路、語音通信電路、SIM卡電路、指示燈電路等相連接。其電源電路又分為充電電池和穩(wěn)壓電源兩部分，本系統(tǒng)為減小體積，直接采用主板供電方式，并在1～10腳增設(shè)了穩(wěn)壓濾波電路，因而省去了電池和充電電路。

啟動電路由自動和手動上電復(fù)位電路組成。模塊上電10 ms后（電壓須大于3 V），為使之正常工作，必須在15腳加時長至少為100 ms的低電平信號，且該信號的下降沿時間應(yīng)小于1 ms，同時啟動后15腳的信號應(yīng)保持高電平。本系統(tǒng)可使用跳線選擇模塊啟動方式。其中自啟動方式是指在平臺正常工作之后，由軟件控制平臺自動發(fā)出啟動信號，而不需人的干預(yù)；而手動方式是指在平臺正常工作之后，人為按下系統(tǒng)的啟動／復(fù)位按鍵，模塊才能啟動。

數(shù)據(jù)通信電路主要完成短消息收發(fā)、與平臺通信、以及軟件流控制等功能。TC35i的數(shù)據(jù)接口采用串行異步收發(fā)，符合RS-232接口電路標準，工作在CMOS電平下。數(shù)據(jù)接口配置為8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無校驗位，可在300 bps~115kbps的波特率下運行，支持的自動波特率為4.8kbps~115 kbps（14.4 kbos和28.8 kbps除外），同時還支持RTSO／CTSO的硬件握手信號和XON／XOFF的軟件流控制。TC35i作為移動終端。具有3路接收、5路發(fā)送的電路連接要求，但考慮到本系統(tǒng)無需蜂窩通信等功能，故為簡化數(shù)據(jù)通信電路，可采用MAX232CPE芯片來實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換及串口通信功能（輸入為TXDO，輸出為RXDO）。

該模塊主要實現(xiàn)用戶通過手機短信方式與信息終端進行信息交互。系統(tǒng)通過TC35i實現(xiàn)短信收發(fā)后，對用戶短信進行解析，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)計并實現(xiàn)了一個嵌入式多功能信息交互系統(tǒng)。在實現(xiàn)了動態(tài)信息發(fā)布和信息交互這兩個主要功能的基礎(chǔ)上，根據(jù)該系統(tǒng)應(yīng)用的不同場合擴展了環(huán)境參數(shù)采集、安防監(jiān)控報警、無線射頻識別和電視信號接收等功能，為不同領(lǐng)域用戶的使用提供了方便。