基于PXA310平臺的溫濕度傳感器設計與實(shí)現方法

摘要：在嵌入式應用領(lǐng)域，需要測量周?chē)h(huán)境的質(zhì)量對生產(chǎn)和工作進(jìn)行監控和預警。通過(guò)比較設計方案，提出在嵌入式Linux 下，基于PXA310 平臺溫濕度傳感器的設計與實(shí)現方法。在Linux 操作系統下通過(guò)對驅動(dòng)程序接口調用，完成溫濕度數據讀取和預警，并對Linux 驅動(dòng)程序編寫(xiě)進(jìn)行比較。實(shí)驗表明，本方案硬件和軟件設計切實(shí)可行，提高了環(huán)境測量的準確度和系統性能的實(shí)時(shí)性。

1 引言

在工業(yè)控制和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，傳感器對于工業(yè)控制和生產(chǎn)環(huán)境的監控作用不言而喻。傳統的傳感器監控系統大都采用單片機控制，其監控的準確度和實(shí)時(shí)性不太令人滿(mǎn)意。本文尋找到一套切實(shí)可行的傳感器設計方案，其利用溫濕度傳感器芯片，基于PXA310硬件平臺和Linux 操作系統，能有效監控現場(chǎng)溫濕度變化。在周?chē)h(huán)境發(fā)生變化，不能滿(mǎn)足工作要求時(shí)，可以獲取監控數據并提出預警，提高生產(chǎn)和工作環(huán)境檢測的可靠性及實(shí)時(shí)性。

2 溫濕度傳感器電路設計

比較了一些傳感器應用設計方案后，選用SHT10芯片為嵌入式溫濕度傳感器的核心部件。它外圍電路簡(jiǎn)便，相比其他傳感器芯片(DS18B20)有其獨到優(yōu)勢。

STH10 每秒可進(jìn)行3 次溫濕度測量，數據精度14 bit并且工作穩定。其測量采用CMOSens 專(zhuān)利，所以在測量效率和精度上要好于DS18B20.DS18B20 采用單總線(xiàn)控制方案(1-wire)，大約每秒測量一次，9 位數字式溫度數據;只提供溫度測量。其在生產(chǎn)環(huán)境檢測要求嚴格時(shí)，就顯得精度和功能有些不足。

2.1 sht10 簡(jiǎn)介

SHT10 是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全量程標定數字輸出。傳感器包括一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件和一個(gè)用能隙材料制成的溫度敏感元件，他們與一個(gè)14 位A/D 轉換器以及一個(gè)串行接口電路設計在同一個(gè)芯片上面。其通過(guò)標定得到校準系數以程序形式儲存在芯片OTP 內存中，并利用兩線(xiàn)制串行接口與內部電壓調整，使外圍系統集成變得快速而簡(jiǎn)單。

2.2 SHT10 工作原理

SHT10 芯片電源3.3V .傳感器上電后，等待11ms 來(lái)完成休眠狀態(tài)。通信復位和啟動(dòng)傳輸命令后，發(fā)送一組測量命令('00000101'表示相對濕度RH,'00000011'表示溫度T)，控制器要等待測量結束。這個(gè)過(guò)程需要大約11/55/210ms ,分別對應8/12/14bit 測量。SHT10 通過(guò)下拉DATA 至低電平，表示測量結束?？刂破饔|發(fā)SCK 時(shí)鐘前，必須等待這個(gè)數據備妥信號才能將測量數據正確讀入。

測量和通訊結束后，SHT10 自動(dòng)轉入休眠模式。數據傳送采用兩線(xiàn)制串行接口(與I2C 接口不兼容)。

2.3 SHT10 電路原理圖

SHT10 采用LCC 封裝，其DATA 和SCK 引腳分別連接到PXA310 的GPIO78 和GPIO79.PXA310通過(guò)模擬時(shí)序方式實(shí)現對外圍溫濕度傳感器的控制和數據讀寫(xiě)操作。由于SHT10 對于溫濕度靈敏度很高，在系統集成時(shí)應盡量遠離發(fā)熱源(如MCU、LCD 等)，否則測量結果會(huì )有所偏離;為SHT10 布線(xiàn)時(shí)，周?chē)鷳M量鋪地減少周?chē)骷ζ涞母蓴_。SHT10 電路原理圖如圖1 所示。

圖1 SHT10 電路原理圖

3 Linux溫濕度傳感器驅動(dòng)程序實(shí)現

單片機控制的傳感器設備中，單片機通常是單線(xiàn)程運行。在進(jìn)行溫濕度測量時(shí)，單片機需要等待測試結果返回，其方法阻礙了其他測試和操作的同步執行。

在嵌入式Linux 系統中，驅動(dòng)程序將測試任務(wù)送入任務(wù)隊列，交出CPU 控制權，繼而進(jìn)行其他實(shí)時(shí)任務(wù)運行，待內核空閑再進(jìn)入任務(wù)隊列完成傳感器的測量，以此提高系統執行的效率和實(shí)時(shí)性。

3.1 Linux 溫濕度傳感器設備加載

溫濕度傳感器使用Linux 內核的Miscdevice 數據結構在驅動(dòng)程序初始化時(shí)將設備注冊到內核。

Miscdevice 是字符設備，其主設備號為10,設備及設備接口函數定義如下所示。

驅動(dòng)程序加載設備時(shí)將調用內核的注冊函數。在Linux2.4 和2.6 內核中，幾乎所有Linux 驅動(dòng)程序都依靠如下函數加載模塊。

驅動(dòng)程序初始化完成后，上層應用程序可以調用sht10_fops 中的sht10_read 函數進(jìn)行溫濕度的讀取操作。

3.2 Linux 溫濕度傳感器設備操作

進(jìn)行數據讀取前，首先要在驅動(dòng)程序中開(kāi)辟4 個(gè)字節的數據空間，用于存放溫度和濕度測量值。這里定義全局變量數據緩沖區為unsigned char buf[4].

讀取SHT10 溫濕度數據前，需要進(jìn)行端口初始化和SHT10 復位操作，然后將任務(wù)送于任務(wù)隊列并阻塞線(xiàn)程，當任務(wù)完成返回后再喚醒線(xiàn)程，將讀到數據傳遞給上層應用程序做進(jìn)一步處理。程序流程圖和實(shí)現函數如圖2 所示。

圖2 驅動(dòng)程序流程圖。

上述函數中start_trans; write_byte; read_data; read_byte 分別利用PXA310 引腳模擬時(shí)序完成啟動(dòng)傳輸、寫(xiě)字節，讀一位數據和讀字節的操作。

內核tasklet_schedule() 調度執行指定的tasklet,在獲得運行機會(huì )之前只會(huì )調度一次，如果在運行時(shí)被調度， 則完成后會(huì )被再次運行。

wait_for_completion()這個(gè)函數進(jìn)行一個(gè)不可打斷的等待，如果有代碼調用它，并且沒(méi)有完成這個(gè)任務(wù)，結果會(huì )是一個(gè)不可殺死的進(jìn)程。copy_to_user()將內核空間數據傳向上層用戶(hù)空間，并讓上層測試程序做進(jìn)一步處理。

3.3 Linux 溫濕度傳感器設備阻塞操作

由于溫濕度傳感器測量需要一定時(shí)間，為提高系統運行效率和實(shí)時(shí)性，在驅動(dòng)程序中阻塞線(xiàn)程，交出內核控制權，等待操作完成后喚醒線(xiàn)程，提高系統利用率。complete()在函數中就是喚醒一個(gè)等待的讀取線(xiàn)程。任務(wù)隊列實(shí)現函數如下所示。

Tasklet可以使測量操作在系統負荷不重時(shí)被調用，或是被立即執行，但始終不會(huì )晚于下一個(gè)CPU clock.

Tasklet 始終在中斷期間運行，并且在調度他的同一CPU 上運行。對比單片機系統，在單線(xiàn)程情況下，一般在sht10_read()中調用2 次measure_ sht10()來(lái)等待測量完成，測量效率依賴(lài)2 次測量消耗的時(shí)間;但在Linux 驅動(dòng)程序中，使用Tasklet 方式操作，2 次測量過(guò)程不會(huì )對其他線(xiàn)程產(chǎn)生影響，在有其他實(shí)時(shí)事件需要及時(shí)處理時(shí)(如網(wǎng)絡(luò )，視頻)，可以更有效提高驅動(dòng)運行效率，降低對其他實(shí)時(shí)處理產(chǎn)生的影響。

4 溫濕度傳感器測試與驗證

驅動(dòng)程序完成以后，需要相應測試程序驗證驅動(dòng)程序編寫(xiě)的正確性。由于驅動(dòng)程序中不能對數據進(jìn)行浮點(diǎn)數運算，所以測試程序必須將驅動(dòng)程序傳遞來(lái)的數據進(jìn)行浮點(diǎn)數運算才能得到相應的溫濕度值。

4.1 溫濕度傳感器測試環(huán)境

在實(shí)驗室常溫下，測試程序多次調用驅動(dòng)程序中讀溫濕度的函數接口獲得測試數據，來(lái)驗證設計的正確和可靠。并考慮實(shí)驗室內常溫下，相對濕度與溫度具有非線(xiàn)性關(guān)系，計算濕度值時(shí)需要考慮溫度的補償關(guān)系，其關(guān)系如圖3 所示。

圖3 SORH 轉換到相對濕度。

為補償濕度傳感器的非線(xiàn)性以獲取準確數據，并考慮實(shí)際溫度與測試參考溫度(25℃)不同，使用如下公式修正讀數。

RHlinear 是溫度修正系數，RHtrue 是相對濕度，SORH是傳感器返回的濕度值。進(jìn)行12bit 濕度檢測時(shí)，參數取值如下表所示。

表1 濕度轉換系數與溫度補償系數

由于能隙材料研發(fā)的溫度傳感器具有極好線(xiàn)性，14bit 溫度值參考如下公式。

Temperature = d1+d2 x SOT

溫度轉換系數取值如下表所示，SOT 是傳感器返回的溫度值。

表2 溫度轉換系數

利用上述溫濕度轉換公式和系數可以得出溫濕度測量值。

4.2 溫濕度傳感器測試途徑與效率驗證

在測試程序中，考慮上述測量環(huán)境下溫濕度之間的非線(xiàn)性，調用驅動(dòng)程序的sht10_read 函數將讀到的溫濕度數據返回上層測試程序進(jìn)行浮點(diǎn)數運算，將計算值通過(guò)串口輸出，達到測試驗證的目的。測試程序的實(shí)現如下所示。

static void calc_sht10(float *humi, float*temp)

{

float rh=*humi;

float t=*temp;

float rh_line;

float rh_true;

t=t*d2+d1; //溫度轉換公式

rh_line=C3*rh*rh+C2*rh+C1; //相對濕度轉換公式

rh_true=(t-25)*(t1+t2*rh)+rh_line;

//相對濕度溫度補償

if(rh_true>100)rh_true=100; //超出范圍

if(rh_true0.1)rh_true=0.1;

printf(Humidity is: %.2f%RHn,rh_true);

printf(Temperature is: %.2f'Cn,t);

}

int main(int argc, char *argv[]) //主函數

{

int fd;

float temp,humi; //溫濕度數據

char buffer[4]; //數據緩沖

fd = open(/dev/sht10, 0); //打開(kāi)文件

if (fd 0) { //打開(kāi)失敗，退出

perror(open device /dev/sht10);

exit(1);

}

read(fd,buffer,sizeof(buffer));// 讀取溫濕度值

temp=(float)((buffer[0]《8)|buffer[1]);

humi=(float)((buffer[2]《8)|buffer[3]);

calc_sht10(humi, temp); //溫濕度數值轉換

close(fd); //關(guān)閉文件

return 0; //退出

}

測試完成后，考察驅動(dòng)程序運行效率，即在驅動(dòng)程序的tasklet_schedule 和copy_to_user 前分別對PXA310 的OSCR 時(shí)間計數寄存器進(jìn)行時(shí)間讀取，計算此次溫濕度測量所用時(shí)間。計算公式如下所示。

Time=(OSCR2-OSCR1)/OSCR_FREQ

OSCR2 是喚醒線(xiàn)程后的時(shí)間，OSCR1 是進(jìn)入任務(wù)隊列前的時(shí)間。OSCR_FREQ 是PXA310 內部時(shí)鐘頻率3.25MHz.這樣就可以計算出每次溫濕度讀取消耗的時(shí)間，以此對比SHT10 開(kāi)發(fā)文檔中理論測量時(shí)間值，確定實(shí)際驅動(dòng)程序運行的效率。

5 實(shí)驗結果與分析

超級終端中插入驅動(dòng)模塊，運行測試程序，可以在終端上看到測試結果(如圖4)。

圖4 超級終端測試結果

系統功能實(shí)現后，利用上述Time 計算公式計算驅動(dòng)程序中溫濕度測量消耗的時(shí)間，實(shí)際測試結果如表3 所示。

表3 驅動(dòng)程序中實(shí)際測量消耗的時(shí)間

上表的測試結果不僅和傳感器的響應速度有關(guān)，而且還與系統中其他運行的線(xiàn)程有關(guān)。當系統中有高一級任務(wù)到來(lái)或其他實(shí)時(shí)事件需要處理時(shí)，實(shí)際測量時(shí)間會(huì )大于上表中的測量時(shí)間，并且隨著(zhù)任務(wù)的增加測量時(shí)間也會(huì )相應的增加，完成的時(shí)間也受到外界中斷的影響。內核會(huì )在任務(wù)不繁忙時(shí)完成測量操作。上表測試結果并未受到系統中其他驅動(dòng)程序和中斷的影響。對比開(kāi)發(fā)手冊中理論測量時(shí)間可以看到，使用任務(wù)隊列的方法對改善系統處理能力與實(shí)時(shí)性效果明顯。

此外，實(shí)現溫濕度傳感器驅動(dòng)程序還需要清楚了解SHT10 讀寫(xiě)時(shí)序，讀取溫度和濕度所需要的時(shí)間不同。如果應用程序中得出的溫濕度值超過(guò)預期值，就可以打開(kāi)GPIO 驅動(dòng)模塊，觸發(fā)系統板上的蜂鳴器達到預警效果。

6 結語(yǔ)

此設計方案已經(jīng)應用于嵌入式無(wú)聲交互控制系統的檢測，并且運行正常。實(shí)踐證明，該嵌入式Linux溫濕度傳感器設計方案可行有效，線(xiàn)程阻塞提高系統運行效率，在環(huán)境測量準確度和系統實(shí)時(shí)性方面得到了令人滿(mǎn)意的效果。由于此方案基于Linux 操作系統和PXA310 平臺，其在多任務(wù)、實(shí)時(shí)快速處理上具有一定的優(yōu)勢。