李志善，蘇威積

（中國(guó)航天科工集團(tuán)第二研究院706所，北京100854）

0 引 言

隨著城市中高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的大量應(yīng)用，急需開(kāi)發(fā)一款滿足大帶寬、系統(tǒng)穩(wěn)定要求的路由卡，其能方便地配備到高清攝像機(jī)上進(jìn)行應(yīng)用。應(yīng)用它可以降低城市中重新布線的施工量和成本，應(yīng)用起來(lái)也比較方便，將多個(gè)不方便布線并配有Linux路由卡的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的視頻通過(guò)Wifi集中傳送到另一臺(tái)已經(jīng)布好線并配備Linux路由卡的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，由它將視頻傳輸回監(jiān)控中心。

1 Linux路由卡的硬件設(shè)計(jì)

本文選擇一款雷凌的RT5350 芯片制作的路由卡，其完全滿足上述要求。RT5350 的 SoC 整合雷凌的IEEE802.11n草 案 標(biāo) 準(zhǔn) 的1T1R 的MAC／BBP／PA／射 頻，高性能360 MHz的MIPS24KEc CPU 內(nèi)核，一個(gè)5端口集成10／100 以太網(wǎng)交換機(jī)／PHY 和 一 個(gè)USB 主 機(jī)／設(shè)備［1］。它是一款高質(zhì)量、小尺寸以及低成本的無(wú)線片上可編程系統(tǒng)芯片，在一個(gè)單芯片上幾乎囊括各種AP Router所需元件，提供了優(yōu)越的無(wú)線基地路由器解決方案，不管用戶所處環(huán)境多么復(fù)雜，如處在人口密集的地方或者頻繁變換位置，RT5350都能靈活地建構(gòu)出最佳的無(wú)線路由器收發(fā)機(jī)制［2］。同時(shí)，RT5350芯片上已經(jīng)內(nèi)置了獨(dú)特的封包接收式天線分集技術(shù)，支持802.11n，150 Mbps無(wú)線局域網(wǎng)速率，高性能的CPU 可以輕松管理高級(jí)應(yīng)用，如不超載主機(jī)處理器的Wifi數(shù)據(jù)處理。此外，RT5350 提供各種硬件接口（SPI／I2S／I2C／PCM／UART／USB），以支持各種可能的應(yīng)用。這種網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)配置Linux路由卡的應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖1所示。

Linux路由卡硬件包括6部分：RT5350處理器、Flash存儲(chǔ)器、SDRAM 閃存、天線、HJTAG 接口、與網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)連接的接口。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 實(shí)際應(yīng)用結(jié)構(gòu)

圖2 路由卡的硬件結(jié)構(gòu)

其中RT5350 處理器是路由卡的核心，內(nèi)部集成了放大器，它有5個(gè)百兆PORT 以及豐富的外設(shè)接口；Flash存儲(chǔ)器用來(lái)存放程序，存放Linux 內(nèi)核及Boorloader；SDRAM 用來(lái)將Bootloader復(fù)制到其中來(lái)運(yùn)行系統(tǒng)；天線用來(lái)增加傳輸距離；HJTAG 用來(lái)下載程序；網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的接口用來(lái)給路由卡來(lái)供電，并將攝像機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口與路由卡的網(wǎng)絡(luò)接口相連，然后將視頻流經(jīng)過(guò)路由卡傳輸出去。

應(yīng)用Altium Designer對(duì)路由卡原理圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，層次原理圖包括以下幾個(gè)電路：

（1）分壓電路。由于網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)為路由卡提供3.3 V電壓，RT5350的管腳有1.2 V，1.8 V，所有路由卡需要分壓電路。

（2）重啟復(fù)位電路。路由卡還包括路由重啟按鍵，當(dāng)路由死機(jī)可以手動(dòng)復(fù)位電路。

（3）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路。RT5350處理器和網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口不是簡(jiǎn)單的物理連接，因?yàn)镽T5350 是PHY 接口，而網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口為MAC 接口，采用一款PHY 芯片78Q2133實(shí)現(xiàn)它們之間的網(wǎng)絡(luò)連接。

（4）天線電路。為了增加傳輸距離，外置天線。

（5）指示燈電路。路由工作指示燈及WPS指示燈。

（6）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路。4M Flash，16M SDRAM。

（7）HJTAG 下載電路。

然后根據(jù)原理圖對(duì)PCB 圖進(jìn)行布線，此路由卡采用雙面布線，布線的時(shí)候要注意以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）對(duì)電源和地的布線要格外的注意，不恰當(dāng)?shù)牟季€會(huì)影響產(chǎn)品的性能，帶來(lái)EMC問(wèn)題，嚴(yán)重的時(shí)候影響產(chǎn)品的成功率。為了提高可靠性要適當(dāng)加粗電源和地的布線寬度，需要在電源和地之前加上去耦電容來(lái)消除噪聲［3］。

（2）布線之前要進(jìn)行分析，將敏感的容易受到干擾的器件遠(yuǎn)離高頻信號(hào)線，而且必要的情況下加屏蔽罩，對(duì)容易發(fā)熱的器件也要進(jìn)行考量，將其與溫度敏感器件分開(kāi)。對(duì)發(fā)熱器件可能影響到系統(tǒng)性能的，還要加散熱片進(jìn)行處理，信號(hào)線要盡量不出現(xiàn)環(huán)路，即使形成環(huán)路也要使環(huán)路盡可能小，為了提高系統(tǒng)的抗干擾性，需要設(shè)置較大面積的地線敷銅區(qū)域。

（3）對(duì)于晶振及天線等實(shí)施地線包圍的措施，防干擾。

（4）天線的設(shè)計(jì)要注意阻抗匹配。

圖3所示為嵌入式Linux的路由卡實(shí)物。

將路由卡配置插到攝像機(jī)上應(yīng)用，簡(jiǎn)單方便，如圖4所示是其中一款可插路由卡的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，其和其它普通網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)并無(wú)大的差別，應(yīng)用時(shí)只需插入Linux路由卡，便可以經(jīng)過(guò)Wifi傳輸視頻。其簡(jiǎn)單方便，可以迅速和原有設(shè)備兼容使用。

圖3 路由卡的實(shí)物

圖4 配置路由卡的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)

2 Linux內(nèi)核的移植、編譯與生成引導(dǎo)程序Uboot

硬件設(shè)計(jì)完成之后，接下來(lái)是對(duì)內(nèi)核的移植和編譯。

2.1 內(nèi)核的移植編譯

內(nèi)核 （kernel）是所有Linux系統(tǒng)的主要軟件組件。內(nèi)核既是操作系統(tǒng)的心臟［4］，也是它的大腦，因?yàn)閮?nèi)核控制著基本的硬件。內(nèi)核是操作系統(tǒng)的核心，具有很多最基本功能，如虛擬內(nèi)存、多任務(wù)和TCP／IP網(wǎng)絡(luò)等功能［5］。

本路由卡的Linux內(nèi)核的移植和其它設(shè)備的Linux內(nèi)核移植類似，包含對(duì)內(nèi)核源碼的修改、添加一些必要的驅(qū)動(dòng)、對(duì)內(nèi)核的交叉編譯、內(nèi)核程序的燒寫(xiě)［6］。

（1）先完整的下載一個(gè)版本的內(nèi)核源碼，根據(jù)硬件平臺(tái)的實(shí)際情況來(lái)選擇內(nèi)核源碼的版本，并對(duì)源碼進(jìn)行改寫(xiě)，改寫(xiě)一定要結(jié)合硬件體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)［7］；

（2）根據(jù)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，對(duì)系統(tǒng)所需要的硬件驅(qū)動(dòng)進(jìn)行有針對(duì)性的添加，對(duì)沒(méi)有必要的外設(shè)驅(qū)動(dòng)，可暫時(shí)不添加。這樣可以快速地實(shí)現(xiàn)內(nèi)核的裁剪和移植，這個(gè)過(guò)程也就是常說(shuō)的內(nèi)核配置或內(nèi)核定制；

（3）對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)目標(biāo)平臺(tái)的交叉編譯，生成一個(gè)內(nèi)核映象文件 （如zImage，uImage，bzImage）［8］；

（4）最后通過(guò)一些手段 （如TFTP）把該映象文件燒寫(xiě)到目標(biāo)平臺(tái)中［9］。

本路由卡采用了Ralink （雷凌）公司提供的RT288x＿SDK 作為整個(gè)嵌入RT5350 開(kāi)發(fā)平臺(tái)的kernel、根文件系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)源。

其中arch是特定體系下的源碼，crypto是Crypto API，Documentation是內(nèi)核源碼文檔，drivers是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，fs是VFS和各種文件系統(tǒng)，include是內(nèi)核文件，init是內(nèi)核引導(dǎo)和初始化程序，ipc是進(jìn)程間通信代碼，kernel是像調(diào)度程序這樣的核心子系統(tǒng)，lib是通用內(nèi)核函數(shù)，mm 是內(nèi)存管理子系統(tǒng)和VM，net是網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)，scripts編譯內(nèi)核所用到的腳本。

因?yàn)槟繕?biāo)平臺(tái)是ARM，而在X86平臺(tái)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)，所以要采用交叉編譯［10］。

接著在Red Hat下安裝Ralink （雷凌）提供的交叉編譯工具鏈buildroot－gcc342。安裝過(guò)程如下：

＃cp RT288x＿SDK／toolchain／buildroot－gcc342.tar.bz2／opt，拷貝工具鏈到／／opt目錄下。

＃tar jxvf buildroot－gcc342.tar.bz2，在／opt目 錄 下 解壓生成buildroot－gcc342，作為整個(gè)系統(tǒng)交叉編譯工具［11］。

＃gedit／etc／profile

在末尾添加export PATH＝MYMPATH ：／opt／buildroo t－gcc3 42／bin／，保存退出。

＃source／etc／profile

測(cè)試，打印出交叉編譯工具的信息，則安裝成功。

＃mipsel－Linux－uclibc－gcc－v

RT288xSDK 源文件中未添加RT5350 的Wifi驅(qū)動(dòng)，需要進(jìn)行移植。本路由卡采用Ralink公司提供的Wifi驅(qū)動(dòng)包2011＿0825＿RT5350＿APSoC＿Wifidriver v2.6.0.0＿DPA.tar.bz2作為驅(qū)動(dòng)源文件［12］。具體的操作工程如下：

首先，將Wifi驅(qū)動(dòng)壓縮包2011＿082＿5＿RT5350＿APSoC＿ Wifidriver＿v2.6.0.0 ＿ DPA.tar.bz2 拷 貝 到RT288x SDK／source／Linux－2.6.21.x／drivers／net／wireless目錄下，解壓后生成rt2860v2，rt2860v2＿ap，rt2860v2＿sta這3個(gè)目錄。

然后修改RT288xSDK／source／Linux－2.6.21.x／ralink／Kconfig配置文件，添加Wifi驅(qū)動(dòng)源文件目錄source"drivers／net／wireless／rt2860v2＿ap／Kconfig"［13］。

進(jìn)入內(nèi)核目錄source下在終端下輸入make menuconfig后，如圖5所示?？梢詫?duì)內(nèi)核其進(jìn)行設(shè)置。

圖5 內(nèi)核配置頁(yè)面

內(nèi)核的配置界面包括4 部分內(nèi)容：select the product you wish to target；kernel／liberary／defaults selection；load an alternate configuration file；save configuration to an alternate file。select the product you wish to target用來(lái)選擇你的目標(biāo)平臺(tái)，本系統(tǒng)選擇RT5350，RT288xSDK 源文件中還可以選擇RT2880、RT3052、RT3352，選擇完畢后，將光標(biāo)移到Exit，接著對(duì)其它項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置［13］；kernel／liberary／defaults selection包括對(duì)交叉編譯路徑的設(shè)置、選擇內(nèi)核配置選項(xiàng)等；load an alternate configuration file保持默認(rèn)配置即可；save configuration to an alternate file保存配置文件選項(xiàng)組。內(nèi)核的配置通常包括yes和no兩個(gè)選項(xiàng)，選擇yes就是把所選的選項(xiàng)編譯到內(nèi)核的映像中，no則不編譯。還有包含3 個(gè)選項(xiàng)的編譯選項(xiàng)，需要在yes、no、Module中進(jìn)行選擇，Module則比較特殊，選擇Module則該選項(xiàng)被編譯到內(nèi)核映像且將其代碼生成模塊的形式。對(duì)內(nèi)核的配置，也可以不通過(guò)圖形界面，也可以通過(guò)對(duì)Kconfig文件直接進(jìn)行修改，但是編譯一定要通過(guò)Makefile［14］。一個(gè)完整的Linux內(nèi)核源碼包括很多功能，并支持很多硬件系統(tǒng)，因此對(duì)于內(nèi)核合理的配置對(duì)于內(nèi)核編譯是很重要的，決定著最終編譯的內(nèi)核的大小，最大的限度的將沒(méi)有用的功能裁剪，并且不影響系統(tǒng)的功能，內(nèi)核還能成功的編譯，對(duì)于內(nèi)核的效率，系統(tǒng)的性能至關(guān)重要［15］，對(duì)內(nèi)核的配置、裁剪、編譯需要有深厚的編譯內(nèi)核功底，需要在實(shí)際項(xiàng)目中不斷積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)。設(shè)計(jì)的路由卡采用RT5350，4M Flash，16M SDRAM，對(duì)內(nèi)核進(jìn)行相應(yīng)的配置，并保存，退出，便可以對(duì)內(nèi)核進(jìn)行編譯。如圖6所示。

執(zhí)行make dep和make命令，便可在生成的系統(tǒng)文件中添加Wifi驅(qū)動(dòng)［16］。如果沒(méi)有錯(cuò)誤，運(yùn)行一段時(shí)間將顯示內(nèi)核編譯時(shí)間，以及大小等運(yùn)行結(jié)果，如圖7所示。

2.2 生成引導(dǎo)程序Uboot

圖6 設(shè)備特性設(shè)置

Bootloader是在操作系統(tǒng)運(yùn)行前執(zhí)行的一段程序［17］。BootLoader的作用就是用來(lái)加載操作系統(tǒng)。從具體運(yùn)行過(guò)程看，BootLoader在內(nèi)核移植過(guò)程中起著重要的作用，是內(nèi)核能否正常啟動(dòng)的關(guān)鍵。不同硬件系統(tǒng)的BootLoader是不同的，否則直接移植過(guò)去，內(nèi)核一般不能正常啟動(dòng)。建立一個(gè)通用的嵌入式Bootloader幾乎不可能。目前，嵌入式的世界中己有多種Bootloader，種類劃分也有很多方式。常見(jiàn)的Bootloader見(jiàn)表1。

表1 常見(jiàn)的Bootloader

Bootloader的作用和BOIS類似，對(duì)硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行初始化，為內(nèi)核的正常啟動(dòng)做好準(zhǔn)備。圖8為內(nèi)核啟動(dòng)的流程［18］。

本路由卡的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，就采用了Ralink 公司的Uboot作為Bootloader 的開(kāi)發(fā)源碼。具體操作如下：在Uboot目錄下，輸入make menuconfig命令，進(jìn)入配置頁(yè)面進(jìn)行配置，選擇芯片RT5350，及其支持最大SDRAM 64M。如圖9所示。

圖8 內(nèi)核啟動(dòng)流程

圖9 Uboot設(shè)置界面

輸入make 命令，在Uboot 目錄下生成引導(dǎo)程序uboot.bin 及 uboot.imgo uboot.bin 用 于 NOR Flash，uboot.img用于SPI Flash及NAND Flash［19］。RT5350支持SPI Flash，因此選用uboot.img。

2.3 燒寫(xiě)uboot與uboot＿uImage

RT5350通過(guò)tftp服務(wù)完成uboot與root uImage的燒寫(xiě)，初始化SDRAM，復(fù)制Bootloader到SDRAM，執(zhí)行Bootloader，復(fù)制映像到SDRAM，傳遞根盤(pán)地址參數(shù)給內(nèi)核，內(nèi)核解壓，啟動(dòng)，尋找跟盤(pán)文件系統(tǒng)加載到嵌入式系統(tǒng)上［20］。

具體步驟：先將root uImage拷貝到宿主機(jī)／tftpboot目錄下。然后再確保目標(biāo)設(shè)備和宿主機(jī)在同一個(gè)IP 地址段，才能有效的通信，再運(yùn)行sudo／etc／init.d／xinetd restart命令將宿主機(jī)的tftp服務(wù)開(kāi)啟，最后，當(dāng)uboot啟動(dòng)時(shí)，進(jìn)入 “Load system code then write to Flash via TFTP”的選項(xiàng)，通過(guò)向控制臺(tái)上輸入宿主機(jī)IP 和燒寫(xiě)的內(nèi)容root uImage，這樣便完成了root uImage燒寫(xiě)［21］。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于RT5350嵌入式微處理器和Linux操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了無(wú)線路由卡的軟硬件系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)了視頻的無(wú)線傳輸，成功制作了一款低成本、易于使用的Linux路由卡，為解決一些不方便布線的監(jiān)控點(diǎn)的視頻傳輸問(wèn)題提供了一個(gè)快速可行的方案，不但減少了施工量，而且縮減了產(chǎn)品投入使用的時(shí)間。創(chuàng)造性的使用Wifi來(lái)實(shí)現(xiàn)高清視頻的短距離傳輸，為未來(lái)相關(guān)的工程應(yīng)用提供了一個(gè)好的思路。在整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中從硬件芯片的選擇到硬件原理圖、PCB電路圖的布線，再到Linux的移植和編譯都是由筆者獨(dú)立完成，經(jīng)過(guò)多次修改和實(shí)驗(yàn)。這款路由卡還有待在實(shí)際應(yīng)用中接受檢驗(yàn)，并需要不斷完善。另外，由于并未充分考慮這款路由卡在數(shù)據(jù)加密及功耗方面的性能，今后的設(shè)計(jì)還會(huì)對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步研究。

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