基于ARM的無線嵌入式Web服務(wù)器設(shè)計

王海燕

(上海電力學(xué)院電力與自動化工程學(xué)院，上海 200090)

隨著高科技和信息化的迅速發(fā)展，信息共享程度的不斷提高，以及信息共享方式的多元化，人們的日常生活變得更加舒適和便捷.傳統(tǒng)的Web服務(wù)器采用RS232，RS485，CAN總線等有線方式采集數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)頁發(fā)布信息，但隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，以及基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，人們的生產(chǎn)和生活將會發(fā)生深遠(yuǎn)的變革.無線方式能消除傳統(tǒng)Web服務(wù)器的走線和結(jié)構(gòu)布局等限制，使之更方便接入Internet［1，2］.本文設(shè)計的基于 ARM 的無線嵌入式Web服務(wù)器，通過無線方式實現(xiàn)對接入Internet的智能設(shè)備的有效管理和控制，可以廣泛應(yīng)用到國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域，如工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、車輛監(jiān)控、無線抄表、無線遙控、生物信號采集等.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文設(shè)計的基于ARM的無線嵌入式Web服務(wù)器通過無線收發(fā)芯片nRF905將嵌入式Web服務(wù)器與無線智能設(shè)備連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、控制以及信息的發(fā)送.具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

遠(yuǎn)程用戶通過Internet登錄嵌入式Web服務(wù)器，發(fā)布采集或控制智能設(shè)備命令.執(zhí)行采集數(shù)據(jù)功能時，ARM 微控制器 S3C2410［3］接收來自Web頁面的數(shù)據(jù)采集指令后啟動無線收發(fā)芯片nRF905，接收周圍無線智能設(shè)備(與nRF905工作在相同的無線頻段)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行緩存，通過動態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)和Web頁面將這些數(shù)據(jù)展示給遠(yuǎn)程用戶;執(zhí)行控制功能時，用戶通過Web頁面發(fā)布相關(guān)指令，S3C2410通過Internet獲取指令信息，然后交給無線收發(fā)芯片nRF905進(jìn)行發(fā)送，以實現(xiàn)對設(shè)備的控制.無線智能設(shè)備和嵌入式設(shè)備上都配有nRF905無線收發(fā)模塊，接收到指令后做出響應(yīng)，而無線智能設(shè)備則可通過無線嵌入式Web服務(wù)器接入Internet.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

無線嵌入式Web服務(wù)器分為無線收發(fā)模塊和網(wǎng)絡(luò)接入模塊兩個部分，均由S3C2410控制.

2 無線收發(fā)模塊

無線收發(fā)模塊負(fù)責(zé)與智能設(shè)備進(jìn)行通信，主要由ARM微控制器S3C2410和無線收發(fā)芯片nRF905［4，5］構(gòu)成，兩者接口如圖 2 所示.

圖2 S3C2410與nRF905的連接

MCU采用三星公司生產(chǎn)的S3C2410微控制器，它是基于ARM920T內(nèi)核的32位RISC CPU，采用5級指令流水線，運行時的時鐘頻率最高可以達(dá)到203 MHz.片內(nèi)主要有SDRAM控制器，3通道的UART，4通道的DMA，4個具有PWM功能的計時器和1個內(nèi)部時鐘，8通道10位的ADC，以及觸摸屏接口和I2C總線接口等，特別是所具有的MMU功能，非常適合移植Linux操作系統(tǒng)，具有低功耗和高性能的特點［4］.

nRF905是挪威Nordic公司推出的一款微功率無線收發(fā)芯片.其工作電壓為1.9～3.6 V，采用32引腳QFN封裝，是真正的單片UHF無線收發(fā)芯片.它集成了高頻發(fā)射、高頻接收、頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等，性能優(yōu)異、功耗低、使用方便.使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便，且其功耗很低，以10 dBm的輸出功率發(fā)射時電流只有11 mA，工作于接收模式時的電流為12.5 mA.此外，內(nèi)設(shè)空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實現(xiàn)節(jié)能.

nRF905的工作模式由發(fā)射/接收使能端口TRX_CE，power down，模式端口 PWR_UP，模式選擇端口TX_EN這3種模式控制端的電平輸入決定.具體工作模式和電平輸入見表1.

表1 nRF905的工作模式

系統(tǒng)的無線收發(fā)過程可分為發(fā)送流程和接收流程兩部分.發(fā)送流程又分為以下5個步驟.

(1)當(dāng)微控制器S3C2410有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，通過SPI接口，按時序?qū)⒔邮諜C(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送給nRF905，SPI接口的速率在通信協(xié)議和器件配置時確定;

(2)將微控制器S3C2410的引腳TRX_CE和TX_EN置高，激發(fā)nRF905的Shock Burst TM發(fā)送模式;

(3)自動開啟nRF905的射頻寄存器，將數(shù)據(jù)打包并發(fā)送完成后，再將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備引腳置高;

(4)AUTO_RETRAN的引腳被置高，nRF905不斷重發(fā)，直到TRX_CE的引腳被置低;

(5)當(dāng)TRX_CE的引腳被置低、nRF905的發(fā)送過程完成后，系統(tǒng)自動進(jìn)入空閑模式.

由于只有在前一個數(shù)據(jù)包被發(fā)送完畢后，nRF905才能接收下一個發(fā)送數(shù)據(jù)包，因此使得Shock Burst TM工作模式能夠保證一旦開始發(fā)送數(shù)據(jù)，無論TRX_CE和TX_EN引腳是高還是低，發(fā)送過程都會被處理完.

系統(tǒng)的接收流程可分為以下3個步驟.

(1)當(dāng) TRX_CE為高、TX_EN為低時，nRF905進(jìn)入 Shock Burst TM 接收模式;650 μs后，nRF905進(jìn)入監(jiān)測狀態(tài)，等待接收數(shù)據(jù);

(2)當(dāng)nRF905檢測到同一頻段的載波后，將載波檢測引腳置高，當(dāng)接收到相匹配的地址后，將地址匹配引腳置高，當(dāng)一個正確的數(shù)據(jù)包接收完畢后，nRF905自動移去字頭、地址和CRC校驗位，然后把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備引腳置高;

(3)微控制器S3C2410把TRX_CE的引腳置低，nRF905進(jìn)入空閑模式.

微控制器S3C2410通過SPI口以一定的速率接收數(shù)據(jù).當(dāng)所有的數(shù)據(jù)接收完畢，nRF905把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備引腳和地址匹配引腳置低后，nRF905可以進(jìn)入Shock Burst TM接收模式、Shock Burst TM發(fā)送模式或關(guān)機(jī)模式.

3 網(wǎng)絡(luò)接入模塊

網(wǎng)絡(luò)接入模塊負(fù)責(zé)實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議并接入Internet網(wǎng)絡(luò)，主要由S3C2410單片機(jī)與網(wǎng)絡(luò)控制芯片 RTL8019AS［6］構(gòu) 成，以 太 網(wǎng) 驅(qū) 動 芯 片RTL8019AS經(jīng)耦合隔離濾波器HR61101G和RJ45接口接入互聯(lián)網(wǎng)，接口電路如圖3所示.

圖3 S3C2410與RTL8019AS的連接

RTL8019AS的IOS0～I(xiàn)OS3基地址選擇引腳接地時，I/O基地址為300 H，即001100000000，所以地址線SA9，SA8接+5V，寄存器地址偏移量為00 H～1 FH，共32個，而對應(yīng)地址從300 H到31 FH，所以只需要將SA0～SA4接到S3C2410的地址總線ADDR0～ADDR4即可，其余地址線接地.同時，地址使能端AEN接S3C2410的通用片選引腳nGCS3，當(dāng)S3C2410訪問RTL8019AS時，RTL8019AS被激活.芯片IORB和IOWB引腳為讀寫信號線，接到S3C2410的nOE和nWE讀寫控制引腳.S3C2410的定時器輸出引腳TOUT0與RTL8019AS的RSTDRV連接，并進(jìn)行復(fù)位操作，由于RSTDRV為高電平有效，因此給該引腳加一個1 μs以上的高電平就可以復(fù)位.RTL8019AS可以兼容8位和16位操作，IOCS16是16位I/O選擇引腳.RTL8019AS上電復(fù)位時，如果IOCS16為低電平，則RTL8019AS將選擇8位模式，反之，將選擇16位模式.由于 S3C2410是 16/32位的CPU，所以選擇RTL8019AS16位的總線模式(每次讀/寫2個字節(jié)，需要16根數(shù)據(jù)總線，即SD0～SD15).INT0表示RTL8019AS的中斷請求引腳與S3C2410的外部中斷請求引腳相連.JP引腳為高電平，I/O和中斷采用跳線模式.

4 軟件設(shè)計

單片機(jī)S3C2410作為系統(tǒng)的核心，不僅要實現(xiàn)精簡的TCP/IP協(xié)議棧，還要實現(xiàn)對無線收發(fā)芯片nRF905的控制.軟件處理流程見圖4.

圖4 軟件處理流程

系統(tǒng)的工作流程如下:S3C2410上電啟動后，進(jìn)行相關(guān)的初始化操作，并設(shè)定好中斷模式，然后正常啟動Web服務(wù)，S3C2410通過Internet獲取相關(guān)指令.當(dāng)網(wǎng)頁中傳遞了相關(guān)的指令時，S3C2410啟動中斷處理程序，即S3C2410暫時中斷Web服務(wù)，通過對nRF905的控制，實現(xiàn)與智能設(shè)備間的數(shù)據(jù)收發(fā)，并將通信數(shù)據(jù)緩存，然后S3C2410結(jié)束中斷處理程序，恢復(fù)Web服務(wù)，并通過動態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)把數(shù)據(jù)以網(wǎng)頁的形式傳給客戶端.

5 結(jié)語

智能設(shè)備采用RS232，RS485，CAN總線等有線方式，通過Web服務(wù)器接入Internet時，受到信息點結(jié)構(gòu)布局和走線的限制，缺乏靈活性.本文設(shè)計的無線Web服務(wù)器，可以方便、靈活地實現(xiàn)對信息點的控制并減少布線成本.小范圍無線與嵌入式系統(tǒng)的結(jié)合，必將推動嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，此類產(chǎn)品以其微型化和低成本的特點，在家庭和辦公自動化、電子商務(wù)、工業(yè)控制，以及智能化建筑物等方面有廣闊的應(yīng)用前景.

［1］朱芳，章堅武，高峰.一種基于nRF905的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計［J］.杭州電子科技大學(xué)學(xué)報，2007(2):29-32.

［2］董煒，楊士元.嵌入式Internet與家庭網(wǎng)關(guān)技術(shù)［J］.計算機(jī)應(yīng)用研究，2005(6):222-225.

［3］周維，陳默.基于S3C2410的 ARM開發(fā)平臺［J］.電子技術(shù)，2004(7):4-7.

［4］NORDIC Semiconductor.nRF905 DataSheet［DB/OL］.［2010－09 －05］http://www.nordicsemi.com.

［5］孫鵬.單片射頻收發(fā)器nRF905的原理與應(yīng)用［J］.電子制作，2008(2):63-66.

［6］REALTEK Semiconductor.RTL8019 DataSheet［DB/OL］.［2011-05-06］http://www.realtek.com.tw.