基于A(yíng)RM-Linux的數據采集和網(wǎng)絡(luò )傳輸系統設計

8片MAX1308由兩片Altera公司的Cyclone II系列FPGA芯片控制，每片FPGA內部分為兩個(gè)模塊，一個(gè)為AD轉換控制模塊，另一個(gè)為FIFO存儲模塊。最終兩個(gè)FIFO存儲器分別掛在S3C2440芯片的BANK3和BANK5上，通過(guò)數據總線(xiàn)，ARM處理器可以讀取FIFO內的數據。ARM與FPGA(FIFO)接口電路如圖4所示。

其中的FIFO由Quartus II提供的IP核手動(dòng)配置，自動(dòng)生成。FIFO的輸出通過(guò)一組三態(tài)門(mén)與ARM的數據總線(xiàn)相連，三態(tài)門(mén)的EN端分別由nGC S3和nGCS5控制，同時(shí)nGCS3和nGCS5通過(guò)反相器分別與兩個(gè)FIFO的rdreq端相連，這樣ARM通過(guò)這兩個(gè)片選信號可同時(shí)打開(kāi)FIFO的輸出通道以及讀使能信號rdreq。nOE信號通過(guò)反相器分別與兩個(gè)FIFO的rdclk端相連，來(lái)提供FIFO的讀時(shí)鐘信號。

3 軟件設計

3.1 AD控制部分

MAX1308采用內部時(shí)鐘的采樣時(shí)序圖如下圖5所示。其中雙向并行接口DO～D7用來(lái)設置8位配置寄存器，以激活和禁止相應的采樣通道。內部時(shí)鐘模式下，啟動(dòng)一次轉換，需在采樣時(shí)間(tACQ)內將CONVST置為低電平，此時(shí)T/H捕獲信號，在CONVST上升沿轉換開(kāi)始。一旦能夠讀取轉換結果，轉換結束信號()將給出一個(gè)低電平脈沖。當最后一個(gè)通道的轉換結果可以被讀取時(shí)，最后轉換結束信號()跳變到低電平。

FPGA內部按照上述時(shí)序邏輯實(shí)現采集模塊后，再連接到FIFO模塊上，然后通過(guò)一組三態(tài)門(mén)掛接到ARM數據總線(xiàn)上。

3.2 Linux設備驅動(dòng)

設備驅動(dòng)程序在Linux內核中扮演著(zhù)特殊的角色，它使某個(gè)特定硬件響應一個(gè)定義良好的內部編程接口，這些接口完全隱藏了設備的工作細節。用戶(hù)的操作通過(guò)一組標準化的調用執行，而這些調用獨立于特定的驅動(dòng)程序。將這些調用映射到作用于實(shí)際硬件的設備特有操作上，則是設備驅動(dòng)程序的任務(wù)。

3.2.1 FIFO設備驅動(dòng)

用戶(hù)空間驅動(dòng)程序具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如可以和整個(gè)C庫連接，可以使用通常的調試器調試驅動(dòng)程序代碼，而不用費力地調試正在運行的內核等。

該驅動(dòng)程序是通過(guò)mmap函數將外設FIFO存儲器映射到用戶(hù)空間的一段內存中，進(jìn)而對其進(jìn)行操作。映射一個(gè)設備意味著(zhù)將用戶(hù)空間的一段內存與設備內存關(guān)聯(lián)起來(lái)。mmap函數定義如下：

#include

void*mmap(void*addr，size_t len，int prot，int flag，int filedes，off_t off);

此函數將在進(jìn)程的虛擬地址空間(地址起始為addr，長(cháng)度為len字節)和與文件描述符fd關(guān)聯(lián)的文件(偏移量為off，長(cháng)度為len字節)之間建立映射。映射后系統對設備的讀寫(xiě)操作就等同于對用戶(hù)內存的讀寫(xiě)。

程序中需要對S3C2440的存儲器控制寄存器進(jìn)行配置，主要是BANKCON3、BANKCON5和BWSCON 3個(gè)寄存器，使BANK3和BANK5數據總線(xiàn)寬度為16位，WAIT等待信號無(wú)效，合理配置讀寫(xiě)信號周期。這些同樣是通過(guò)存儲映射的方式實(shí)現。

3.2.2 DM9000網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)

Linux 2.6.30.4內核中的網(wǎng)卡驅動(dòng)相當完善，其中包含DM9000的驅動(dòng)，所以隨著(zhù)內核的移植，該驅動(dòng)就可以直接使用了。

3.3 Socket網(wǎng)絡(luò )應用程序

Linux OS之所以得到廣泛應用的一個(gè)主要原因是其卓越的網(wǎng)絡(luò )應用。Socket是一種實(shí)現網(wǎng)絡(luò )不同主機進(jìn)程間通信的一種機制。

為了數據的可靠傳輸，我們選擇基于面向連接的TCP通信協(xié)議進(jìn)行應用層的開(kāi)發(fā)，面向連接的Socket通信流程如圖7所示。

眾所周知，使用多進(jìn)程的服務(wù)器模型有利于程序的健壯性。下位機作為服務(wù)器端，設置listen()偵聽(tīng)客戶(hù)端的連接請求，針對每個(gè)Soc ket連接請求，利用fork()函數產(chǎn)生一個(gè)子進(jìn)程處理到來(lái)的連接，在子進(jìn)程中完成客戶(hù)指令的接收與判斷、數據的處理與發(fā)送等，并關(guān)閉服務(wù)器偵聽(tīng)，在父進(jìn)程中關(guān)閉客戶(hù)端的連接，采用多進(jìn)程思想，解決多客戶(hù)端問(wèn)題。上位機應用程序為字符界面，將接收到的數據以文件的形式保持起來(lái)。

4 系統測試實(shí)驗

用SG1110數字合成信號發(fā)生器給采集板輸入一個(gè)頻率為4 kHz，峰峰值為8.6 V的正弦波信號，如圖8(a)所示，在單通道采集的模式下將采集的一段數據傳送給網(wǎng)絡(luò )上的客戶(hù)端，并將此數據用MATLAB程序畫(huà)圖如圖8(b)所示。

由上圖可以看出，還原后的圖像為一正弦波，每個(gè)周期的采樣點(diǎn)數約為160個(gè)，采樣頻率接近640 kHz，符合預期結果。

5 結論

嵌入式遠程數據采集系統是一種新的將分散信息集中處理的有效方法，對工業(yè)控制的數據集中處理、環(huán)境監控等有非常重要的應用價(jià)值。該系統的創(chuàng )新點(diǎn)是在用戶(hù)空間實(shí)現了FIFO設備驅動(dòng)，最大的特點(diǎn)是實(shí)現了多達64通道的模擬數據采集，實(shí)現了多數據源采集的要求。系統的便攜化程度高，實(shí)用性和智能性強，潛在的經(jīng)濟效益巨大。