嵌入式多功能信息交互系統(tǒng)的設計

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)不同的應用進行定制等優(yōu)點。隨著嵌入式技術的飛速發(fā)展，將嵌入式設備應用于信息交互系統(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)設計方案，并在此方案基礎上實現(xiàn)了1個多功能信息交互系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)功能設計

本系統(tǒng)采用Client-Server結構，包含兩大功能模塊：嵌入式信息終端模塊和PC服務器模塊。信息終端以基于XScale PXA270處理器的Liod平臺為基礎，移植了Linux操作系統(tǒng)和Qtopia圖形界面;PC服務器使用Windows操作系統(tǒng)，兩者通過802.11無線局域網(wǎng)連接。系統(tǒng)結構如圖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。此外，本系統(tǒng)還根據(jù)不同領域用戶的需要設計并擴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)控報警模塊和無線射頻識別模塊。PC服務器作為信息交互系統(tǒng)的后臺管理模塊主要負責對信息進行數(shù)據(jù)處理。PC服務器的數(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，通過設計服務程序，為信息終端提供信息發(fā)布服務和信息管理服務。

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。

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，核心板加底板設計，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接口電路標準，工作在CMOS電平(2.65 V)下。本模塊以MAXIM公司的MAX232CPE芯片為核心，實現(xiàn)了電平轉換及串口通信功能，并注意了它的電磁兼容(EMC)設計。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。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信號作上拉和保護處理送入I/O。由于該模塊要與Liod平臺和無線射頻識別模塊進行通信，因此還使用了UART串口和I2C/SMBus總線。通過對交叉開關進行配置，充分利用了所有的端口。C8051F007有4路12位的 ADC，模塊擴展的溫濕度傳感器所輸出的模擬信號經(jīng)信號調(diào)理和保護電路后輸入其端口。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。

從CRX14的RFOUT端發(fā)出的信號，經(jīng)過以PZT2222為核心的高頻放大電路，再通過精心設計的阻容匹配網(wǎng)絡，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，經(jīng)含有射頻標簽的卡片后返回，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，同時將數(shù)據(jù)存入內(nèi)部寄存器，供I2C總線讀取。其硬件設計難點是天線的設計和調(diào)試，及阻容匹配網(wǎng)絡的計算。PCB設計上也要十分注意EMC設計。

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)應用的操作系統(tǒng)，通常包括與硬件相關的底層驅動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設備驅動接口、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 服務器端軟件設計

服務器端軟件開發(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。圍繞服務器端的主要功能，還需要具體設計和實現(xiàn)以下2個輔助程序模塊：

(1)SQL Server 2000數(shù)據(jù)表結構

標準數(shù)據(jù)庫SQL Server 2000安裝在PC服務器上，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，本設計編寫了數(shù)據(jù)庫管理客戶端應用程序，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 信息終端軟件設計

信息終端選用Linux操作系統(tǒng)，其應用軟件設計主要圍繞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，并為其設定網(wǎng)絡數(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

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

本文設計并實現(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上，根據(jù)該系統(tǒng)應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，為不同領域用戶的使用提供了方便。