摘 要： 提出了一種基于XScale PXA270處理器和Linux操作系統的嵌入式多功能信息交互系統設計方案。系統采用C/S結構，由嵌入式信息交互終端和PC服務器組成。系統通過對Liod開發板進行硬、軟件擴展，實現了手機短信交互、環境參數采集、安防監控報警和無線射頻識別等信息交互功能。
關鍵詞： 嵌入式系統；信息交互；XScale PXA270；Linux
傳統的信息交互系統大多基于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。而嵌入式系統與普通的PC機系統相比，具有體積小、成本低、軟硬件均可根據不同的應用進行定制等優點。隨著嵌入式技術的飛速發展，將嵌入式設備應用于信息交互系統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設計方案，并在此方案基礎上實現了1個多功能信息交互系統。
1 系統功能設計
本系統采用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操作系統和Qtopia圖形界面；PC服務器使用Windows操作系統，兩者通過802.11無線局域網連接。系統結構如圖1所示。
其中，嵌入式信息終端主要作為信息交互系統的信息發布和接收終端使用。用戶可以通過嵌入式瀏覽器瀏覽以Web形式發布在網絡上的信息資源，同時也能通過觸摸屏來獲取更多需要的信息。此外，本系統還根據不同領域用戶的需要設計并擴展了外接無線局域網卡、GSM通信模塊、VGA視頻顯示模塊、環境參數采集模塊、安防監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的后臺管理模塊主要負責對信息進行數據處理。PC服務器的數據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布的信息，通過設計服務程序，為信息終端提供信息發布服務和信息管理服務。
2 系統硬件實現
嵌入式信息終端硬件主要由基于XScale PXA270的Liod開發板和各硬件擴展模塊組成。
2.1 Liod開發板特點
Liod開發板以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。
2.2 GSM擴展模塊
為了實現用戶手機與信息終端進行信息交互，系統需要在Liod平臺的串口上擴展GSM通信模塊來實現手機短信方式的信息交互。目前國內使用較多的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、數據通信電路、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。數據通信電路主要完成短信收發、與平臺通信、軟件流控制等功能，其數據接口采用串行異步收發，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，都能向CIP-51產生中斷，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信號調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協議的射頻系統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。它發送的數據用ASK方式調制，接收到的數據則是將終端負載變量信號解調所得。CRX14與終端間的數據傳輸速率為106 kb/s。本模塊即采用CRX14實現了1個較為完整的低成本射頻讀卡器方案。
從CRX14的RFOUT端發出的信號，經過以PZT2222為核心的高頻放大電路，再通過精心設計的阻容匹配網絡，傳到射頻天線發射到有效區域。發射出去的射頻信號，經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，再經過滯環比較器，最后送入RFIN端口，同時將數據存入內部寄存器，供I2C總線讀取。其硬件設計難點是天線的設計和調試，及阻容匹配網絡的計算。PCB設計上也要十分注意EMC設計。
3 系統軟件實現
3.1 系統軟件選型
為了便于系統管理員對整個系統進行快捷的信息管理，系統服務器端硬件選擇普通的PC機，使用Windows操作系統，并選用SQL Server 2000作為整個服務器端的后臺數據庫。
信息終端的軟件主要包括嵌入式操作系統、圖形界面和嵌入式數據庫。嵌入式操作系統是一種支持嵌入式系統應用的操作系統，通常包括與硬件相關的底層驅動軟件、系統內核、設備驅動接口、通信協議等。嵌入式操作系統占用空間小，其特點主要體現在可裁剪性、實時性和可靠性等方面。本系統信息終端選用Linux操作系統、Qtopia圖形界面和SQLite嵌入式數據庫。
3.2 服務器端軟件設計
服務器端軟件開發采用Visual C#.net 2005，數據庫采用SQL Server 2000。服務器端軟件主要是為Web信息發布頁面提供顯示數據，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以下2個輔助程序模塊：
(1)SQL Server 2000數據表結構
標準數據庫SQL Server 2000安裝在PC服務器上，為信息瀏覽時的網站頁面提供顯示數據，并接受數據庫管理客戶端對數據的輸入、修改、刪除等管理。
(2)數據庫管理客戶端
數據庫管理客戶端為系統管理員提供了界面友好的數據庫管理界面，協助管理員管理SQL Server 2000和擴展的嵌入式數據庫SQLite，本設計編寫了數據庫管理客戶端應用程序，系統管理員可通過管理客戶端管理數據，同時為信息發布的Web頁面提供顯示數據。該程序的實現主要包括3個方面：數據的輸入、數據庫操作的實現、2個數據庫的協調同步。
3.3 信息終端軟件設計
信息終端選用Linux操作系統，其應用軟件設計主要圍繞GSM短信交互功能展開，同時實現了各擴展功能參數在終端網頁上特定區域內顯示的功能。其主要程序模塊分別為：
(1)擴展SQLite數據庫
本系統將輕型開源數據庫SQLite 3.5.5移植到Liod開發板上，并為其設定網絡數據庫操作協議，將SQLite擴展成為單連接的異步通訊網絡數據庫。本數據庫存儲的數據用于短信交互，它為向系統發送短信查詢詳細瀏覽信息的用戶提供數據，并接受數據庫管理客戶端對數據的管理。
(2)終端信息瀏覽模塊
該系統實現在信息終端上顯示PC服務器上發布的Web頁面。在Liod平臺上移植Linux操作系統和Qtopia圖形界面后，使用Konqueror瀏覽器瀏覽服務器上發布的Web頁面。Linux的移植主要包括：BootLoader、Linux內核和嵌入式文件系統。Linux內核使用Linux-2.4.21，文件系統包括基本文件系統和Qtopia。
(3)手機短信交互模塊
該模塊主要實現用戶通過手機短信方式與信息終端進行信息交互。系統通過TC35i實現短信收發后，對用戶短信進行解析，并查詢SQLite數據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送至PC數據庫，更新信息發布頁面。
3.4 系統軟件流程
系統軟件流程圖如圖4所示。
本文設計并實現了一個嵌入式多功能信息交互系統。在實現了動態信息發布和信息交互這兩個主要功能的基礎上，根據該系統應用的不同場合擴展了環境參數采集、安防監控報警、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。
參考文獻
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