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随着计算机技术、网络技术和通信技术的迅速发展以及人们生活水平的不断提高,智能家居已成为智能建筑的一个重要分支。智能家居以住宅为平台,兼备建筑、网络、信息家电、设备自动化,集系统、结构、服务、管理于一体的高效、舒适、安全、便利的居住环境。家庭网关是家庭内网和外网两个网络的连接点,作为智能家居结构中的核心部分,其性能直接决定了家庭网络的性能。
本课题旨在从家庭网关的实际出发,开发设计一种性价比高、可扩展性强、支持远程控制的家庭网关。设计中选用Altera公司的Cyclone Ⅱ EP2C35 FPGA芯片,采用SOPC技术,以NiosⅡ软核为核心构建家庭网关的软硬件系统。操作系统采用实时操作系统μC/OS—Ⅱ,并在μC/OS—Ⅱ操作系统下的嵌入LwIP协议栈,支持以太网传输。应用RS485总线作为家庭内部网络的传输总线。
论文首先对课题的背景做了简要的介绍,包括家庭网关的简单介绍以及SOPC技术所涉及到的概念。然后在分析了家庭网关的需求和性能,对可能的软硬件方案进行比较后,最终提出了一个基于SOPC技术的家庭网关远程监控系统的软硬件选型方案。该方案以基于FPGA芯片的SOPC技术为核心,构建家庭网关的软硬件系统,充分发挥了SOPC技术的可重构特性,弥补了传统嵌入式网关的硬件升级困难,不易移植的缺点。
其次介绍了家庭网关的硬件系统设计,包括系统中各模块与FPGA接口电路以及SOPC硬件系统的构建。这部分中对SOPC系统中每个模块进行了仿真,并且自行设计了七段译码器译码控制核、DM9000A芯片接口核和UART通信协议IP核。并且,介绍了μC/OS—Ⅱ操作系统的移植以及在操作系统下主控软件的设计。
最后,重点介绍了TCP/IP协议在家庭网关上的实现,包括LwIP的移植与配置,以太网通信协议的软件实现RS485通讯协议的实现及家庭网关与家庭系统通讯的软件设计。
经过实验验证之后,本文设计的家庭网关基本达到了设计的目的。对SOPC技术在家庭网络建设方面具有一定的参考价值。