基于IEEE802.11b的EPA溫度變送器設計
——
加入技術(shù)交流群
引言
IEEE802.11是IEEE無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)標準，主要用于用戶(hù)終端的無(wú)線(xiàn)接入。IEEE802.11只規定了開(kāi)放式系統互聯(lián)參考模型的物理層和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)子層，其MAC層利用載波監聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突避免（CSMA/CA）協(xié)議；定義了單一的MAC層和多樣的物理層，其物理層標準主要有IEEE802.11b、IEEE80211a和IEEE80211g。IEEE802.11b標準是IEEE802.11協(xié)議標準的擴展，最高可以支持11 Mbps的數據速率，運行在2.4 GHz的ISM頻段上，采用的調制技術(shù)是CCK,支持數據業(yè)務(wù)。
本文詳細分析了采用S3C2410處理器平臺具體實(shí)現運用于EPA網(wǎng)絡(luò )的IEEE802.11b無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)溫度采集器的開(kāi)發(fā)流程，并對串口通信的調試手段及常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行了探討。
1 溫度變送器的硬件設計
溫度變送器系統平臺硬件系統功能如圖1所示。該平臺的核心器件是Samsung公司的處理器S3C2410，外部擴展了16 MB、16位的Flash內存和64 MB、32位的SDRAM。處理器S3C2410通過(guò)UART接口和溫度變送器相連，通過(guò)USB接口和一個(gè)IEEE802.11b網(wǎng)絡(luò )接口卡相連，通過(guò)RS232串口和外部PC相連。溫度變送器采集到的溫度數據輸入系統緩沖區中，處理器S3C2410可對緩沖數據直接進(jìn)行相關(guān)處理；處理后的數據可以通過(guò)RS232串口傳送給外部宿主機PC，也可通過(guò)IEEE802.11b網(wǎng)絡(luò )接口卡發(fā)送到無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)上。
S3C2410處理器功能十分強大，資源豐富。它內部集成了ARM公司的32位微處理器ARM920T，主頻最高可達203 MHz，具有獨立的16 KB指令Cache和16 KB數據Cache，還有LCD控制器、RAM控制器、NAND閃存控制器、3路UART、4路DMA、4路帶PWM的Timer、并行I/O口、8路10位ADC、觸摸屏接口、2個(gè)USB接口控制器和2路SPI。
從外部溫度傳感器采集到的數據經(jīng)S3C2410 CPU數據處理模塊傳回到IEEE802.11b USB接口卡；IEEE802.11b的無(wú)線(xiàn)通信模塊經(jīng)IEEE802.11b的接入點(diǎn)傳到外部以太網(wǎng)絡(luò )中。
圖1硬件系統功能
2 溫度變送器的軟件系統設計
溫度變送器軟件系統設計流程如圖2所示。系統分3步實(shí)現：① 為溫度變送器編寫(xiě)內核驅動(dòng)程序；② 編寫(xiě)溫度數據采集應用程序，通過(guò)串口獲取溫度數據并進(jìn)行相應的EPA報文打包處理；③ 利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )將處理數據發(fā)送給上位機。前面提到系統平臺上運行的是ARM Linux。在啟動(dòng)后啟用了MMU，系統進(jìn)入保護模式，所以應用程序不能直接讀/寫(xiě)外設的I/O區域(包括I/O端口和I/O內存)。這時(shí)一般要借助于該外設的驅動(dòng)來(lái)進(jìn)入內核態(tài)完成這項工作。
圖2軟件系統設計流程
2.1 串口的驅動(dòng)實(shí)現
在Linux下，設備驅動(dòng)程序可以看成Linux內核與外部設備之間的接口。設備驅動(dòng)程序向應用程序屏蔽了硬件實(shí)現上的細節，使得應用程序可以像操作普通文件一樣來(lái)操作外部設備，可以使用和操作文件中相同的、標準的系統調用接口函數來(lái)完成對硬件設備的打開(kāi)、關(guān)閉、讀/寫(xiě)以及I／O控制操作； 而驅動(dòng)程序的主要任務(wù)也就是要實(shí)現這些系統調用函數。本系統平臺使用的嵌入式ARM Linux系統在內核主要功能上與Linux操作系統沒(méi)有本質(zhì)區別，所以驅動(dòng)程序要完成的任務(wù)也一樣；只是編譯時(shí)使用的編譯器、部分頭文件和庫文件等要涉及具體處理器體系結構， 這些都可在Makefile文件中具體指定。當應用程序對設備文件進(jìn)行諸如open、close、read、write等系統調用操作時(shí)，Linux內核將通過(guò)file_operations結構訪(fǎng)問(wèn)驅動(dòng)程序提供的函數。例如，當應用程序對設備文件執行讀操作時(shí)， 內核將調用file_operations結構中的read函數。在系統平臺上對串口數碼攝像頭驅動(dòng)，首先把串口驅動(dòng)模塊靜態(tài)編譯進(jìn)內核，使平臺支持串口;再在須使用溫度采集時(shí)，使用insmode動(dòng)態(tài)加載其驅動(dòng)模塊。這樣溫度傳感器就可正常工作了，接著(zhù)進(jìn)行下一步——對溫度的采集編程。
2.2 溫度數據采集模塊
在溫度變送器串口被驅動(dòng)后，需要再編寫(xiě)一個(gè)采集溫度的應用程序。根據嵌入式系統開(kāi)發(fā)特征，先在宿主機上流程編寫(xiě)應用程序；再使用交叉編譯器進(jìn)行編譯、鏈接，生成目標平臺的可執行文件。宿主機與目標板通信采用打印終端的方式進(jìn)行交叉調試， 成功后移植到目標平臺。編寫(xiě)采集程序是在安裝Linux操作系統的宿主PC機上進(jìn)行的，其程序流程如圖3所示。
圖3溫度數據采集程序
程序運行流程如下：
?、?nbsp;初始化設備功能，發(fā)送03H給溫度變送器。如果初始化失敗，則重復發(fā)送初始化功能碼2次，若都失敗則返回；若成功則進(jìn)入下一步。
?、?nbsp;進(jìn)行數據查詢(xún)，查詢(xún)消息中的功能代碼告之被選中的從設備要實(shí)現何種功能。數據段包含了從設備要實(shí)現功能的任何附加信息，即讀取或修改的起始地址以及數據數量。CRC校驗為從設備提供了一種驗證消息內容是否正確的方法。
?、?nbsp;如果從設備產(chǎn)生一個(gè)正常的響應，則響應消息中的功能代碼是查詢(xún)消息中的功能代碼的回應。數據段包括了從設備收集的數據。如果有錯誤發(fā)生，則從設備將修改功能代碼以表明此回應是一個(gè)異常的回應；同時(shí)數據段中包含相應的錯誤代碼，CRC校驗用于主設備判斷響應幀內容的正確性。
?、?nbsp;將從設備得到的數據運用EPA協(xié)議棧進(jìn)行數據的封裝，然后通過(guò)IEEE802.11b無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡發(fā)送到數據分析設備。
?、?nbsp;根據對數據的處理，將得到返回的數據，程序再將返回數據寫(xiě)入從設備。如果寫(xiě)入失敗，則連續寫(xiě)兩次，若仍失敗則跳出。
系統采用主從通信技術(shù)， S3C2410處理器模塊作為主設備，溫度傳感器作為從設備。主設備可以對溫度傳感器進(jìn)行初始化，并發(fā)出查詢(xún)指令；溫度傳感器根據主設備查詢(xún)指令實(shí)現相應的功能。S3C2410處理器模塊查詢(xún)的格式包括功能代碼、所有要發(fā)送的數據和CRC校驗域；從設備回應消息也包括相應的功能代碼、任何要返回的數據和CRC校驗域。如果在消息接收過(guò)程中發(fā)生錯誤，從設備將構造一錯誤幀并將其作為應答回應。程序中構造的幀格式如下：
主設備查詢(xún)幀
從設備響應幀
當主設備查詢(xún)從設備時(shí)，它希望得到從設備的正常響應，但可能有3種處理情形：
?、?nbsp;從設備收到了主設備的查詢(xún)，且全部校驗正確，從設備就產(chǎn)生正確的響應。
?、?nbsp;從設備由于通信錯誤等沒(méi)有收到主設備的查詢(xún)，因此也就無(wú)法產(chǎn)生響應。這時(shí)主設備將通過(guò)超時(shí)判斷查詢(xún)的錯誤。
?、?nbsp;從設備收到了主設備的查詢(xún)，但檢測出通信幀內容出錯（如CRC校驗出錯或非法的起始地址等），這時(shí)從設備將產(chǎn)生異常響應通知主設備相關(guān)的錯誤信息。
最后將采集數據用EPA協(xié)議棧打包，并利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳輸。
2.3 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )模塊
無(wú)線(xiàn)溫度變換器的實(shí)時(shí)數據無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )模塊是將無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡注入內核，“插槽”驅動(dòng)層通過(guò)API為PC卡服務(wù)層提供服務(wù)，編寫(xiě)“插槽”層驅動(dòng)就是實(shí)現這些API函數。PC卡服務(wù)層維護著(zhù)一張函數表，記錄已登記的“插槽”驅動(dòng)層的API函數，相應地提供了兩個(gè)接口函數用來(lái)登記和取消登記一個(gè)“插槽”驅動(dòng)層的API函數。定義如下：
int register_ss_entry(int nsock, ss_entry_t ss_entry)；
int unregister_ss_entry(int nsock, ss_entry_t ss_entry)；
typedef int (*ss_entry_t)(u_int sock, u_int cmd, void *arg)；
◆ 函數register_ss_entry： 用來(lái)登記一個(gè)“插槽”驅動(dòng)層服務(wù)函數。
◆ 函數unregister_ss_entry： 用來(lái)取消指定函數的登記，表明“插槽”層不再提供該服務(wù)。
◆ 具體服務(wù)函數ss_sentry： 該函數的編寫(xiě)是核心。它包括3個(gè)參數： 第1個(gè)參數sock是插槽編號；第2個(gè)參數cmd是命令，即服務(wù)函數的編碼；第3個(gè)參數是一個(gè)void類(lèi)型的指針，用來(lái)傳遞任意的參數。
PCMCIA“卡和插槽服務(wù)”（Card and Socket Services）軟件規范要求插槽層提供的服務(wù)共有12項，Linux操作系統定義在include\pcmcia\ss.h文件里。
enum ss_service {
SS_RegisterCallback, SS_InquireSocket,
SS_GetStatus, SS_GetSocket, SS_SetSocket,
SS_GetIOMap, SS_SetIOMap, SS_GetMemMap, SS_SetMemMap,
SS_GetBridge, SS_SetBridge, SS_ProcSetup
};
3 測試
首先在宿主機PC上使用交叉編譯器編譯、鏈接溫度數據采集程序，使之生成可執行代碼，然后移植到目標平臺上。為了進(jìn)一步觀(guān)察采集的溫度數據效果，可在目標平臺帶網(wǎng)絡(luò )支持的基礎上編寫(xiě)一個(gè)網(wǎng)絡(luò )通信程序，把采集到并處理成浮點(diǎn)型的溫度數據通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸到PC機上進(jìn)行顯示。搭建無(wú)線(xiàn)溫度變送器的測試系統如圖4所示。
圖4IEEE802.11b
無(wú)線(xiàn)溫度變送器的測試系統無(wú)線(xiàn)監控系統采集的基于S3C2410的IEEE802.11b無(wú)線(xiàn)溫度變送器的實(shí)時(shí)數據如圖5所示。
圖5IEEE802.11b
4 結論
實(shí)際的溫度測量數據表明，基于IEEE802.11b的EPA溫度數據采集器可以很好地完成溫度數據的采集處理，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)與相關(guān)設備進(jìn)行通信。另外，在基于EPA標準的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)系統應用中，驗證了此設計的可行性。
參考文獻
［1］ Tanenbaum Andrew S. Modern Operating System. 北京：機械工業(yè)出版社，2002.
［2］ 鄒思軼. 嵌入式Linux設計與應用. 北京：清華大學(xué)出版社，2002.
［3］ Karim Yagbmour. 構建嵌入式Linux系統. 北京：中國電力出版社， 2004.
［4］ Sloss Anddrew N. Dominic Symes. ARM嵌入式系統開(kāi)發(fā)——軟件設計與優(yōu)化. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.
［5］ 毛德操，胡希明. Linux內核源代碼情景分析. 杭州：浙江大學(xué)出版社，2001.
［6］ Mark Ciampa. 無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)設計與實(shí)現. 北京：科學(xué)出版社，2003.
［7］ 國家質(zhì)量技術(shù)監督局. 中華人民共和國國家標準“用于工業(yè)測量與控制系統的EPA系統結構與通信規范”（報批稿）. 2005.
出處：《單片機與嵌入式系統應用》
評論