一線(xiàn)制傳感器在基于Linux平臺車(chē)載信息采集系統中的應用

引言

本文在嵌入式Linux平臺上實(shí)現了車(chē)載信息采集系統的一部分——汽車(chē)常規溫度的數據采集，如采集車(chē)內溫度、暖風(fēng)或空調溫度、車(chē)外溫度、水箱溫度等。DS18B20是一種可組網(wǎng)單總線(xiàn)數字溫度傳感器，為信息采集提供了經(jīng)濟有效的可行方案。嵌入式Linux以其源碼開(kāi)放、容易定制和擴展、多硬件平臺支持和內置網(wǎng)絡(luò )功能等優(yōu)良性能，逐漸成為車(chē)載設備廣泛使用的系統平臺。本文涉及的系統使用三星公司的S3C2410AL20處理器,操作系統采用2.6.8.1內核Linux，GUI采用Trolltech公司的Qtopia；功能上主要實(shí)現：各路溫度的采集顯示、音頻報警、溫度數據的存儲、相關(guān)功能設置等。當需要語(yǔ)音提示或報警時(shí)，應用程序調用語(yǔ)音模塊；當需要存儲或顯示歷史數據時(shí)，應用程序調用SD存儲模塊。

　　1 Linux系統開(kāi)發(fā)概述

驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)是嵌入式Linux開(kāi)發(fā)的主要任務(wù)之一。設備驅動(dòng)為上層應用程序提供控制硬件的設備接口，同時(shí)直接與Linux內核打交道。圖1描述了Linux系統開(kāi)發(fā)框架。

圖1 Linux系統開(kāi)發(fā)框架

　　應用程序開(kāi)發(fā)是嵌入式Linux開(kāi)發(fā)的另一個(gè)主要任務(wù)。Qt/Embedded 是著(zhù)名Qt 庫開(kāi)發(fā)商Trolltech 公司開(kāi)發(fā)的面向嵌入式系統的Qt 版本。Qtopia是在Qt/ Embedded 庫的基礎上,專(zhuān)門(mén)針對PDA、SmartPhone這類(lèi)運行嵌入式Linux 的移動(dòng)設備和手持設備所開(kāi)發(fā)的開(kāi)放源碼的一套應用程序包和開(kāi)發(fā)庫。它包括全套的個(gè)人信息管理PIM ( Personal Information Management) ,如地址本、日程安排、MPEG播放、圖像顯示、瀏覽器等。

　　2 車(chē)載信息系統及硬件平臺概述

車(chē)載信息采集系統開(kāi)發(fā)主要包括用戶(hù)界面開(kāi)發(fā)，內核開(kāi)發(fā)，音頻模塊設計，串口模塊設計，CAN總線(xiàn)模塊設計，車(chē)輛狀態(tài)（又包含開(kāi)關(guān)量、模擬量、數字量等）檢測模塊設計等。

本設計著(zhù)重實(shí)現一線(xiàn)制溫度網(wǎng)絡(luò )的數據采集。一線(xiàn)制溫度網(wǎng)絡(luò )的溫度信號特點(diǎn)是：數值不高，多在0~100 ℃范圍內；溫度信號變化較慢；系統對采集到的溫度信號的實(shí)時(shí)性要求不高；精度要求不高。

一線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)點(diǎn)在于能測量大量的物理量，所有的通信都通過(guò)一線(xiàn)協(xié)議，而與被測的具體量無(wú)關(guān)。一線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )是能夠方便地搭建起由一線(xiàn)傳感器芯片組成的一系列測量環(huán)境參數的網(wǎng)絡(luò )。

DS18B20是一種可組網(wǎng)的單總線(xiàn)數字溫度傳感器，具有以下功能特點(diǎn)：
① 適應寬的電壓范圍（3.0～5.5 V），在寄生電源方式下可由數據線(xiàn)供電。
② 獨特的單線(xiàn)接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要1條口線(xiàn)即可實(shí)現微處理器與DS18B20的雙向通信。
③ 溫度范圍為－55～+125 ℃，在-10～+85 ℃時(shí)精度為±0.5 ℃。
④ 可編程的分辨率為9～12位，對應的可分辨溫度分別為0.5 ℃、0.25 ℃、0.125 ℃和0.062 5 ℃，可實(shí)現較高的精度測溫。

單總線(xiàn)使得硬件開(kāi)銷(xiāo)極小，但需要相對復雜的軟件進(jìn)行補償。由于DS18B20采用單總線(xiàn)串行數據傳送，保證嚴格的讀寫(xiě)時(shí)序成為測溫關(guān)鍵,因此沒(méi)有采用I/O驅動(dòng)，而是單獨編寫(xiě)一線(xiàn)制溫度網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)。

本設計采用寄生電源連接方式，12位分辨率。寄生電源的優(yōu)點(diǎn)為：遠程溫度檢測無(wú)需本地電源；缺少正常電源條件下也可以讀ROM。為確保DS18B20在其有效變換期內得到足夠的電源電流，在I/O線(xiàn)上通過(guò)MOSFET提供強的上拉（如圖2所示）。當使用寄生電源方式時(shí)，VDD引腳必須連接到地。

系統核心控制器S3C2410X是三星公司基于A(yíng)RM920T核的芯片。S3C2410X集成了1個(gè)LCD控制器(支持STN和TFT帶有觸摸屏的液晶顯示屏)、SDRAM、觸摸屏、USB、SPI、SD和MMC等控制器,4個(gè)具有PWM功能的計時(shí)器和1個(gè)內部時(shí)鐘,8通道的10位ADC,117位通用I/O口和24位外部中斷源,8通道10位AD控制器,處理器工作頻率最高達到203 MHz。系統顯示采用SHARP 3.5 in的TFT_LCD液晶顯示屏。系統框圖如圖2所示。

圖2 信息采集系統及部分電路連接原理

　　3 驅動(dòng)實(shí)現

本節將實(shí)現一線(xiàn)制溫度傳感器網(wǎng)絡(luò )的驅動(dòng)模塊。驅動(dòng)從總體上看分為兩部分：驅動(dòng)與內核接口層、硬件設備接口層。

3.1 驅動(dòng)與內核接口層

驅動(dòng)與內核接口層主要完成驅動(dòng)模塊在Linux內核的注冊加載、卸載清除工作。這部分工作分別由初始化和退出函數完成。

① 初始化函數完成驅動(dòng)模塊加載：
static int __init DS18B20_init(void){
……
register_chrdev(DS18B20_MAJOR,DEVICE_NAME, DS18B20_fops);//完成設備注冊
#ifdefCONFIG_DEVFS_FS//創(chuàng )建設備文件系統
devfs_mk_cdev(MKDEV(DS18B20_MAJOR,0),S_IFCHR | S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP,DEVICE_NAME);
#endif
……
}

② 退出函數完成驅動(dòng)模塊卸載：
static void __exit DS18B20_exit(void) {
#ifdef CONFIG_DEVFS_FS
devfs_remove(DEVICE_NAME);//移除設備文件
#endif
unregister_chrdev(DS18B20_MAJOR,DEVICE_NAME); //完成設備注銷(xiāo)
……
}

3.2 硬件設備接口層

硬件設備接口層用來(lái)描述驅動(dòng)程序與設備的交互。這些工作通過(guò)虛擬文件系統與設備驅動(dòng)程序的接口實(shí)現。這個(gè)接口由file_operation結構定義，其結構如下：

static struct file_operations DS18B20_fops ={
.owner=THIS_MODULE, //指向擁有該結構的模塊，內核使用該結構維護模塊使用計數
.open=DS18B20_open, //打開(kāi)設備函數
.read=DS18B20_read, //讀接口函數
.write=DS18B20_write,//寫(xiě)接口函數
.fasync=DS18B20_fasync, //異步通知函數
.poll=DS18B20_poll,//poll函數
.release=DS18B20_release, //釋放設備函數
};

3.2.1 打開(kāi)設備函數

打開(kāi)設備函數主要完成設備的初始化。
DS18B20_open(struct inode *inode,struct file *filp) {
Initial_Timer( );//初始化定時(shí)器，使內核模塊按一定周期讀溫度
Initial_Device_DS18B20();//初始化硬件
readtemperature();//開(kāi)始讀取……
}

void readtemperature(void) {
……Temperature=DS18B20read();//讀取2個(gè)8位數據，此函數完成的硬件操作時(shí)序，由當前讀通道號變量指定當前通道
DS_SLOT_NO();//將本次讀通道號放入緩沖區
DS18B20Event();//數據放入緩沖區，喚醒等待隊列并啟動(dòng)異步通知
if(ReleaseFlag)
CycleTimer_Delay_Soft(hdelay);//如果沒(méi)有讀停止信號，通過(guò)內核定時(shí)器延時(shí)，進(jìn)行下一次讀，在中斷服務(wù)程序中再次啟動(dòng)讀
……
}

在使用內核定時(shí)器之前需定義一個(gè)定時(shí)器結構體 static struct timer_list CycleTimer。下面是定時(shí)器的具體操作：
static void Initial_Timer(void) {
init_timer(CycleTimer); );//初始化定時(shí)器結構
CycleTimer.function=DS18B20_timer; //掛接定時(shí)中斷服務(wù)程序
}

3.2.2 讀接口函數

用戶(hù)程序執行讀操作的時(shí)候可能沒(méi)有可以讀取的數據，此時(shí)需要讓read操作等待直到有數據可以讀取。在此采用等待隊列使進(jìn)程在無(wú)數據讀取時(shí)進(jìn)入等待，數據到達時(shí)喚醒。等待隊列設置成一個(gè)循環(huán)緩沖區，每放入一個(gè)新數據作為緩沖區的頭，存放時(shí)間最久還未被取走的數據為緩沖區的尾。

DS18B20_read( ) {
DECLARE_WAITQUEUE(wait,current);//聲明等待隊列……
Next_try:
if(DS18B20dev.head != DS18B20dev.tail) {//等待隊列不為空，即有數據
DS18B20_ret=Read_Buffer_DS18B20(); //取走緩沖區的尾
copy_to_user( ); //讀取的數據送到用戶(hù)空間
}
else { ……//等待隊列為空，即沒(méi)有數據
add_wait_queue(queue,wait);
current>state=TASK_INTERRUPTIBLE;//添加等待隊列，聲明狀態(tài)為任務(wù)可中斷
while((DS18B20dev.head==DS18B20dev.tail)!signal_pending(current) {//進(jìn)入等待
schedule();
current>state=TASK_INTERRUPTIBLE;
}//如果緩沖區為空,Linux內核調度,等待通知
current>state = TASK_RUNNING;//得到有數據的通知，聲明任務(wù)狀態(tài)為運行
remove_wait_queue(queue,wait);//刪除等待隊列
goto Next_try;//返回到讀取數據
}
}

3.2.3 fasync異步通知函數

異步通知函數向進(jìn)程發(fā)送SIGIO信號，通知訪(fǎng)問(wèn)設備的進(jìn)程，表示設備已經(jīng)準備好I/O讀寫(xiě)了，避免主動(dòng)查詢(xún)，提高程序效率。使用異步通知需增加一個(gè)struct fasync_struct的結構指針，然后實(shí)現fasync接口函數。

static struct fasync_struct *fasync;//定義一個(gè)結構體
static int DS18B20_fasync(int fd,struct file *filp,int on) {//實(shí)現接口函數
retval = fasync_helper(fd,filp,on,fasync);
if ( retval0) return retval;return 0;
}

最后在需要向用戶(hù)空間通知的地方調用內核的kill_fasync函數。在打開(kāi)設備函數中提到的DS18B20Event()功能是：將數據放入循環(huán)緩沖區，喚醒等待隊列并啟動(dòng)異步通知，其后兩項功能是這樣實(shí)現的：

wake_up_interruptible(queue);//喚醒等待隊列
if (fasync) {
kill_fasync(fasync,SIGIO,POLL_IN);//發(fā)送異步通知信號
}

3.2.4 poll系統調用操作接口函數

當程序需要進(jìn)行對多個(gè)文件讀寫(xiě)時(shí)，如果某個(gè)文件沒(méi)有準備好，則系統就會(huì )處于讀寫(xiě)阻塞的狀態(tài)，影響其他文件的讀寫(xiě)。為了避免讀寫(xiě)阻塞，使用poll函數。如果設備無(wú)阻塞地讀，就返回POLLIN； 通常的數據已經(jīng)準備好，可以讀了，就返回POLLRDNORM。

static unsigned int DS18B20_poll(struct file *flip, poll_table *wait) {
poll_wait(flip,queue,wait);
if(DS18B20dev.head != DS18B20dev.tail) {
return POLLIN|POLLRDNORM;
}
return 0;
}

3.2.5 release釋放設備函數

static intDS18B20_release(struct inode *inode,struct file *filp) {
ReleaseFlag=0//內核停止讀取溫度標志
DS18B20_fasync(1,filp,0);//關(guān)閉異步通知
module_put(THIS_MODULE);//設備計數器減1
return 0;
}

寫(xiě)接口函數用來(lái)通知驅動(dòng)。例如通知驅動(dòng)讀取通道2的數據，在應用程序中執行寫(xiě)接口函數write（fileno,SLOT2,1），驅動(dòng)設置當前讀通道號為2。

至此完成驅動(dòng)接口函數。此驅動(dòng)屬于字符設備驅動(dòng)，將源程序放在driver/char 目錄下。同時(shí)需要修改該目錄下的Kconfig配置文件并添加 Config 18B20_S3C2410選項，修改driver/char/Makefile，添加obj$(CONFIG_18B20_S3C2410) +=S3C2410_18B20.O。最后重新配置內核，將驅動(dòng)以模塊形式添加到內核，這樣就可以編譯驅動(dòng)了。

4 Qtopia應用程序設計

（1） 創(chuàng )建工程

首先利用QT Designer設計器創(chuàng )建一個(gè)窗體應用程序ThermometerFigure.ui。窗體程序創(chuàng )建好后根據需要添加窗體控件、槽函數、信號等。圖3為T(mén)hermometerFigure類(lèi)的實(shí)現框圖。

（2） ThermometerFigure類(lèi)實(shí)現

利用uic工具產(chǎn)生相應的*.cpp和*.h文件（窗體類(lèi)的實(shí)現文件和頭文件）。編輯*.cpp和*.h文件實(shí)現各成員函數、信號槽的連接。具體實(shí)現如圖3所示。

（3） 創(chuàng )建main及初始化

首先創(chuàng )建main.cpp文件，并在main.cpp 中創(chuàng )建QApplication 對象。QApplication 類(lèi)負責圖像用戶(hù)界面應用程序的控制流和主設置，對所有來(lái)自系統和其他源文件的事件進(jìn)行處理和調度；還包括應用程序的初始化和結束。

int main( int argc, char **argv ) {
QApplication app(argc,argv);
ThemometerFigure wyc;//創(chuàng )建對象
app.setMainWidget( wyc );//選為主窗體
wyc.show(); return app.exec();
}

（4） 編輯*.pro文件并生成Makefile

利用progen工具創(chuàng )建Thermometer.pro，具體實(shí)現如下：
TEMPLATE=app
CONFIG=qt warn_on release
HEADERS=ThermometerFigure.h
SOURCES=ThermometerFigure.cpp \ main.cpp
INTERFACES=
執行qmake命令生成Makefile文件，執行之前要設置相關(guān)的環(huán)境變量，編譯器路徑等。
qmakeo Makefile Thermometer.pro

（5） 編譯鏈接工程

執行make命令，將生成目標二進(jìn)制文件Thermometer，此文件即可在設備上運行。

圖3 ThermometerFigure類(lèi)的實(shí)現框圖

圖4 ThermometerFigure類(lèi)實(shí)現界面

（6） 將可執行文件發(fā)布到Linux系統

將可執行文件添加到Qtopia的根文件系統中，將生成的新的根文件系統燒寫(xiě)到設備的Flash根文件系統區，這樣就可以在桌面運行程序了。圖4為 ThermometerFigure類(lèi)實(shí)現界面。

　　結語(yǔ)

本文介紹了車(chē)載信息系統開(kāi)發(fā)的部分實(shí)現方法。通過(guò)實(shí)例講述了Linux的開(kāi)發(fā)過(guò)程，包括驅動(dòng)開(kāi)發(fā)和應用程序開(kāi)發(fā)流程。創(chuàng )新點(diǎn)在于將一線(xiàn)制傳感器網(wǎng)絡(luò )引入車(chē)載信息采集系統，大大簡(jiǎn)化了線(xiàn)路結構，有很高的實(shí)用價(jià)值。