基于S3C2410和Linux2.6的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )數據采集終端

引言

數據采集技術(shù)在工業(yè)現場(chǎng)控制、醫療監護、環(huán)境檢測以及交通監控等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用。傳統數據采集采用以單片機為核心的設計模式，數據的存儲、傳輸以及實(shí)時(shí)分析都需要額外的PC的輔助來(lái)實(shí)現，其成本高、體積大、不便于攜帶。因此，本文提出基于A(yíng)RM和Linux的嵌入式數據采集終端。硬件上選用SAMSUNG公司為PDA、Internet設備、手持終端等開(kāi)發(fā)的S3C2410處理器，主頻最高可達266MHz，內部提供豐富的外設接口。采用基于2.6內核的嵌入式Linux操作系統，具有易移植裁減、內核小、效率高、性能優(yōu)異的網(wǎng)絡(luò )模塊等特點(diǎn)，最新的2.6內核在支持嵌入式應用方面做了很大的改進(jìn)，能夠很好的實(shí)現電源管理，并提供對IEEE802.11無(wú)線(xiàn)協(xié)議的良好支持。

1、系統結構與硬件設計

1.1 系統結構

嵌入式終端通過(guò)AD轉換采集模擬信號，基于Qt Embedded的界面應用程序將多通道的采集結果以數據/時(shí)間的方式圖表化實(shí)時(shí)顯示在LCD上，以供用戶(hù)實(shí)時(shí)分析比較。用戶(hù)使用觸摸屏與系統交互，可以選擇對所采集數據基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸或者存儲至U盤(pán)等存儲介質(zhì)的操作。系統結構框圖見(jiàn)圖1。系統分層設計的，上層的Qt Embedded應用程序可以根據具體的用戶(hù)需要來(lái)改寫(xiě)，而不會(huì )涉及底層硬件以及Linux系統。

1.2 硬件設計

硬件總體結構如圖2所示。

核心板由S3C2410芯片、兩片32M16bit位寬的SDRAM級聯(lián)成的64M32bit位寬的SDRAM，64M的NAND FLASH組成。64M的SDRAM能夠保證系統運行流暢，64M的FLASH也為ViVi引導程序、Linux內核及文件系統、Qt Embedded應用程序以及數據存儲提供了足夠的空間。

擴展板上主要是一些外設模塊及其相關(guān)的擴展接口。S3C2410內部集成的LCD控制器通過(guò)SVT5001控制板驅動(dòng)PVI的PA050XS1真彩色TFT顯示模組，提供320*234的解析度。4線(xiàn)電阻式觸摸屏通過(guò)MOSFET控制電路跟處理器內部觸摸屏控制器相連。使用了TI公司的TLC2578芯片來(lái)實(shí)現數據采集，TLC2578是8通道12位ADC，最高支持200KSPS的采樣，具有SPI接口，可以很方便的跟S3C2410上的高速SPI接口相連。S3C2410帶有USB HOST 控制器，USB HOST接口可以連接無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡進(jìn)行數據傳輸，或者連接U盤(pán)進(jìn)行數據的復制存儲。我們還保留了JTAG接口以及串口以便調試。

2、系統實(shí)現涉及的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 Linux2.6內核移植

Linux2.6內核已經(jīng)提供了對S3C2410處理器的支持。內核移植的主要工作在于采集終端所用硬件設備的驅動(dòng)程序的移植上，這主要涉及設備模型的概念。統一設備模型的創(chuàng )建是2.6內核最重要的變化之一。它促進(jìn)了模塊接口的標準化，其目的是更好地控制和管理設備。設備模型主要涉及三個(gè)重要的內核數據結構，bus_type、devicedevice_driver：

1） bus_type（總線(xiàn)）：總線(xiàn)是CPU跟各個(gè)設備之間的通道，系統中注冊了一個(gè)名為platform_bus_type的總線(xiàn)。

2） device（設備）：Linux系統的每一個(gè)物理存在的設備都用device結構的一個(gè)實(shí)例來(lái)表示，其成員包括該設備所要注冊的總線(xiàn)以及所要使用的設備驅動(dòng)，arch/arm/mach-s3c2410/devs.c文件中，有著(zhù)S3C2410平臺上所用設備的定義，他們以platform_device結構體的形式出現，該結構體是對device的封裝，device結構中的platform_data成員是設備相關(guān)的一些特有信息的描述。系統啟動(dòng)時(shí)會(huì )將devs.c中所定義的相關(guān)platform_device設備注冊進(jìn)platform_bus_type總線(xiàn)。

3） device_driver（設備驅動(dòng)）：device_driver結構是Linux內核中各個(gè)設備驅動(dòng)程序所要實(shí)現的一個(gè)結構。在驅動(dòng)程序的起始函數中，driver_register函數完成各自的設備驅動(dòng)向platform_bus_type總線(xiàn)的注冊。注冊過(guò)程會(huì )遍歷該總線(xiàn)上已經(jīng)注冊的設備，找到與該設備驅動(dòng)相匹配的接著(zhù)調用該設備驅動(dòng)的probe函數完成諸如寄存器設置、中斷申請等在內的硬件初始化工作并將該設備驅動(dòng)和匹配到的設備綁定。

對于嵌入式linux驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)和移植人員來(lái)說(shuō)，設置各個(gè)設備的platform_data成員是一個(gè)重要內容。Linux內核已經(jīng)提供了S3C2410處理器上包括LCD、觸摸屏、NAND FLASH以及USB HOST在內的設備特有的相關(guān)信息的結構體描述，它們分別是s3c2410fb_mach_info、s3c2410_ts_mach_info、s3c2410_platform_nand以及s3c2410_hcd_info。我們結合所采用硬件的實(shí)際配置信息，對devs.c文件中所定義的各設備結構的platform_data成員進(jìn)行賦值。以nand flash為例，在devs.c的s3c_device_nand中添加設備。dev={.platform_data=mydata},添加flash參數信息struct s3c2410_platform_nand mydata={tacls:0,twrph0:30,twrph1:0,nr_sets: 1,sets:nandset,},其中前三個(gè)參數需要參照f(shuō)lash芯片手冊來(lái)設置，添加flash分區設置信息struct s3c2410_nand_set nandset ={nr_partitions: 5 ,partitions: part_info ,}，添加分區狀況信息static struct mtd_partition part_info[] ={……}，最后還需將s3c_device_nand添加進(jìn)smdk2410_devices指針數組。采用類(lèi)似的方法可以實(shí)現內核對LCD、觸摸屏以及USB HOST的支持。

YAFFS文件系統是針對NAND嵌入式應用設計的一種可讀寫(xiě)的文件系統，性能優(yōu)異，從網(wǎng)上獲得其YAFFS2版本源代碼，加入Linux內核代碼中。對修改過(guò)后的內核源碼進(jìn)行配置，選上對MTD設備、NAND FLASH、LCD、觸摸屏以及YAFFS文件系統等的支持，選擇TCP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議以及802.11無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議的支持。Linux2.6.14之后的內核摒棄了原來(lái)的DEVFS，改用SYSFS代替，也應選上。這樣修改過(guò)的內核源碼可交叉編譯下載到flash上。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡的Linux下驅動(dòng)經(jīng)交叉編譯后可直接使用，作為模塊加載。

2.2 基于SPI接口的Linux下AD驅動(dòng)的開(kāi)發(fā)

S3C2410內部SPI接口兼容兩通道SPI協(xié)議2.11版本，發(fā)送和接收具有2×8位的移位寄存器，可以基于DMA或者中斷模式工作。我們使用TI公司的TLC2578芯片來(lái)實(shí)現數據采集。TLC2578是8通道12位ADC，最高支持200KSPS的采樣，具有SPI接口，可以很方便的跟S3C2410相連，電路原理圖見(jiàn)圖3。

AD驅動(dòng)程序最終實(shí)現一個(gè)字符設備，利用次設備號0-7來(lái)區分8個(gè)通道的模擬量輸入。為了該驅動(dòng)程序能夠被上層的Qt應用程序方便的調用，我們需要實(shí)現以下的接口函數：

1） open調用：打開(kāi)數據采集通道，需要注意的是open調用不應該自動(dòng)啟動(dòng)AD采樣，而應該由ioctl調用提供顯式的控制接口。

2） release調用：關(guān)閉數據采集通道。

3） read調用：讀取采樣數據，阻塞式讀取，以字節數返回讀取到的數據量。

4） ioctl調用：提供以下一些設置命令。DS_ADC_START：?jiǎn)?dòng)AD采樣，每次開(kāi)始都會(huì )清空上次未讀走的數據。DS_ADC_STOP：停止AD采樣。

DS_ADC_SET_SAMPLE_INTERVAL：設定采樣時(shí)間間隔。

DS_ADC_GET_COUNT：獲取內存環(huán)行緩沖區中已存儲的采樣數據數量。

5） poll調用：供上層qt程序查詢(xún)是否有采樣數據可讀。

我們在內核空間為每個(gè)通道維持一個(gè)環(huán)形數據緩沖區，在定時(shí)中斷函數中向該緩沖區寫(xiě)入采樣后的數據以供read調用處理。由于要實(shí)現最高10KHz的采樣頻率，也就是要求最短0.1ms的采樣間隔，因此我們使用S3C2410的內部定時(shí)器timer2來(lái)產(chǎn)生0.1ms的定時(shí)間隔，并使用一個(gè)全局的32位無(wú)符號整型變量g_count來(lái)記錄該時(shí)間間隔數。我們使用Tasklet的方法來(lái)響應timer2的定時(shí)器中斷，中斷處理函數只需要完成對g_count加1的工作，而AD轉換輸出數據的讀取等相關(guān)工作則交由Tasklet機制來(lái)實(shí)現，Linux系統會(huì )在適當的時(shí)刻完成這項工作，一般是在退出中斷處理程序之后，這樣的中斷響應機制可以提高系統的響應能力。Tasklet處理函數通過(guò)SPI口向TLC2578發(fā)送相應的命令，并從SPI口讀回AD轉換后的數據存入環(huán)形緩沖區，這個(gè)流程跟單片機上使用SPI接口與AD通信一致，在此不再贅述。

3、應用實(shí)例

基于S3C2410和Linux2.6的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )數據采集終端已經(jīng)被市場(chǎng)采用，用于大中學(xué)生實(shí)驗室實(shí)驗數據的自動(dòng)采集顯示以及數據的上傳，我們?yōu)槠涠ㄖ频腝t Embedded程序界面見(jiàn)圖4。應用表明該終端的軟硬件運行十分穩定，能夠將所采集數據實(shí)時(shí)的在LCD上顯示，以供使用者觀(guān)察分析，提供良好的交互，使用起來(lái)十分方便，并且基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的數據傳輸避免了現場(chǎng)布線(xiàn)等問(wèn)題。

４、結論

本文提出的基于S3C2410和Linux2.6的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )數據采集終端可以適用于多種場(chǎng)合，例如醫療監護、工業(yè)監控，環(huán)境檢測，交通監控等等。針對不同場(chǎng)合應用時(shí)只需根據所需采集對象的不同為其添加合適的前置傳感電路，應用界面的實(shí)現亦可根據實(shí)際需求定制，十分方便。802.11無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )所具有的優(yōu)勢使得本便攜式終端的應用前景十分廣泛。

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