關于FPGA的跳頻通信頻率合成器設計

0 引言
隨著國民經濟的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人們對居住房子的舒適性及安全性要求也提升到了更高的檔次，同時計算機技術、網絡和信息技術也在不斷發(fā)展，這使得家庭智能系統的遠程監(jiān)控成為一種現實。本文設計的智能家居遠程監(jiān)控系統實現了家用電器等的智能化管理，對家庭環(huán)境的實時監(jiān)視和自動報警功能。

1 智能家居系統的總體結構
智能家居遠程監(jiān)控系統的核心部分是一個嵌入式Web服務器，系統集有線和無線Web服務器于一體，用戶可以利用辦公室的PC登錄家中的Web服務器，在通過用戶名和密碼驗證后，便可以查看并控制家用電器。系統結構框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計
本系統硬件電路框圖如圖2所示，主要由ARM9控制器S3C2440，FLASH，SDRAM，電源及復位模塊，觸摸屏顯示模塊，USB攝像頭，以太網接口模塊，GPRS模塊，家電控制，安防控制等組成。

2．1 ARM9控制器S3C2440
ARM9控制器S3C2440是基于ARM920T內核的16／32位RISC處理器，具有功能強大、性價比高、功耗低的優(yōu)點。
2．2 家電控制
本系統針對家電設備的智能化程度不同，提出了不同的解決方案。對于電燈開關等需要手工控制的傳統家庭設備。系統添加了輔助控制器(繼電器等)，用戶可通過以太網或手機短信的方式控制處理器GPIOn的狀態(tài)，間接控制家庭設備；對于電視、空調等可通過紅外線控制的電器設備，系統采用帶有以太網接口的通用控制器統一遙控；對于自身具備網絡接入功能，支持遠程平臺控制的智能電器設備，直接接入家庭以太網即可。
2．3 安防控制
系統使用的所有探測器(煙感傳感器、煤氣傳感器、門磁傳感器等)和報警設備，都是通過GPIO與控制器相連來完成報警輸入輸出的功能。然而這些輸入輸出信號都有很強的電流，對系統的干擾較大，因此采用TLP521光電隔離芯片和繼電器對報警輸入輸出信號分別進行隔離，從而把外部信號對系統的影響降到最低。

2．4 GPRS模塊
GPRS模塊采用西門子公司的MC35i GPRS MODEM。當S3C2440控制器收到報警信號時，它通過UART控制MC35i，將預存的相應報警信息通過GPRS網絡以短信的形式發(fā)送到用戶的手機上，同時向小區(qū)物業(yè)中心發(fā)出報警，使用戶和物業(yè)部門及時發(fā)現險情，并采取有效的處理措施減少
經濟損失。

2．5 以太網接口模塊
由于S3C2440本身沒有集成以太網控制模塊，所以需要一個與之相匹配的DM9000控制芯片來實現以太網擴展接口。在DM9000和RJ45接口之間通過網絡隔離變壓器HR601627來連接，連接圖如圖3所示，網絡隔離變壓器起信號傳輸、高電壓隔離等作用，以保護系統的安全。

2．6 USB攝像頭
本系統所用的USB攝像頭是中星微公司的ZC2301P。攝像頭ZC301P采集的視頻信號經壓縮后形成的視頻數據流會通過內部總線傳送到嵌入式Web服務器上，用戶可通過登陸網絡直接觀看Web服務器上的視頻圖像，實時監(jiān)控家中的情況。

3 系統軟件設計
本系統控制中心是ARM9控制器，其軟件設計包括系統軟件(嵌入式操作系統、硬件設備驅動程序、嵌入式Web服務器)設計和應用軟件(網頁設計及CGI應用程序)設計。
3．1 嵌入式操作系統在S3C2440上移植過程
(1)從網站上下載Linux的內核源碼linux-2．6．31．tar．bz2和交叉編譯器arm920t-eabi．tgz，這個交叉編譯器是4．1．2版本的，支持EABI，可以提高編譯的效率。
(2)在宿主機上將內核源碼解壓得到linux-2．6．31，將交叉編譯器解壓到指定目錄。
(3)修改Makefile文件及相關硬件文件。由于內核的編譯是根據Makefile文件的指示進行的，Makefile文件來組織內核的各模塊之間的關系，記錄了各個模塊之間的相互聯系和依賴關系。所以，修改Linux2．6．31根目錄下的Maldile文件來指定平臺和交叉編譯器。
(4)通過命令# make menuconfig來配置內核。配置內核時，讓它支持EABI編譯。
(5)在linux-2．6．31根目錄下執(zhí)行命令# make zImage來編譯內核，將生成的內核鏡像文件zImage通過相應的固化軟件固化到系統相應的存儲器中，完成linux-2．6．31內核在ARM微處理器上的移植。

3．2 驅動程序的設計
控制器需要多個設備驅動程序。嵌入式Linux系統中設備驅動程序有一個標準的框架，可以根據硬件結構來填寫框架中的函數。主要的函數包括 open()，read()，write()，ioctl()，release()，module_init()和module_exit()等。為了減小內核的大小，把編寫好的驅動程序編譯成模塊。編寫Makefile、Kconfig文件，分別執(zhí)行make menuconfig命令選擇驅動程序的加載方式，利用makemodules命令生成目標文件，最后利用insmod命令調用 initial_module函數將編譯好的模塊調入內存即可。
3．3 Web服務器Boa移植
Boa是一個嵌入式Web服務器，能夠生成動態(tài)的頁面，支持CGI，比較適合嵌入式系統。在硬件電路板上存放一個網頁，在用戶端可以通過瀏覽器來訪問硬件電路板上這個網頁，然后通過網頁中的內容就可以和硬件電路板上的硬件設備進行交互。具體移植過程如下：
(1)從網上下載Boa服務器源碼壓縮包boa-0．94．13．tar.gz，將其解壓得到boa-0．94．13，在boa-0．94．13／src下編譯生成boa可執(zhí)行程序。
(2)把宿主機Linux操作系統下的／etc／mime．types復制到根文件系統的／etc目錄中，在根文件系統的／etc中建立boa文件夾，根文件系統的／etc／boa目錄下建立www、cgi-bin目錄，www中存放HTML文件，cgi-bin中存放CGI腳本，把網頁文件 index．files和index．html復制到根文件系統的／etc／boa／www目錄下，在根文件系統的／var目錄下建立日志目錄 log／boa。
(3)對Boa作配置和修改。主要通過對defines．h，boa．conf和mime．types文件進行修改來實現。修改defines．h指定 Web服務器的根目錄路徑(SERVER_ROOT)。boa．conf文件由一些規(guī)則組成，用于配置Boa服務器，指定相應端口，服務器名稱，一些相關文件的路徑等。Boa服務器要想正確運行，必須保證該文件是正確配置的，而且該文件和某些靜態(tài)網頁，CGI可執(zhí)行程序等都放于某特定目錄下。
(4)把boa-0．94．13／sre下編譯出的boa可執(zhí)行程序復制到根文件系統的／usr／bin目錄下，把修改過的配置文件boa．conf復制到開發(fā)板的／etc／boa目錄下，并將一些靜態(tài)頁面放在由boa．conf指定的目錄下。
(5)重新編譯根文件系統。把根文件系統下載到硬件電路板上。
在硬件電路板上運行嵌入式Web服務器Boa，通過瀏覽器就能訪問系統所設計的網頁。
3．4 應用軟件設計
本系統的核心是一個嵌入式Web服務器，其應用軟件的設計包括網頁設計和CGI應用程序設計兩部分。
(1)網頁設計：網頁設計采用設計工具Dreamweaver，FrongtPage等來實現。
(2)CGI應用程序設計：采用C語言來編寫CGI應用程序，實現外部實時數據采樣、與家電設備的通信與控制等。CGI技術可以實現瀏覽器與嵌入式Web 服務器的動態(tài)數據交互。CGI程序保存在嵌入式Web服務器端。在用戶端打開HTML頁面，點擊HTML頁面上設備的控制按鈕，就會通過Internet 把用戶請求送到嵌入式Web服務器中，服務器接收用戶請求并交給CGI程序處理，實現用戶的功能需求，這就做到了通過對HTML頁面上相應設備的點擊實現家庭網絡中設備的遠程控制。

4 結束語
該系統硬件采用ARM9 S3C2440 微處理器作為控制核心，軟件采用linux-2.6.31內核作為系統的嵌入式操作系統，采用Boa作為嵌入式Web服務器，結合以太網通信技術和 GPRS無線通信技術實現了對家庭環(huán)境的遠程實時監(jiān)控、安防自動報警和對家電設備遠程控制的功能。本監(jiān)控系統具有較大的實用價值，未來的發(fā)展空間非常大，能夠使人們生活得更加舒適安全。