基于A(yíng)RM uCLinux的網(wǎng)絡(luò )控制系統設計與實(shí)現

　　隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )和通信技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統現已進(jìn)入高速發(fā)展階段。并在社會(huì )各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應用。本文介紹了一種采用ARM+uCLinux作為開(kāi)發(fā)平臺。實(shí)現基于TCP／IP的遠程系統監控．從而取代傳統單片機來(lái)實(shí)現數據采集、預處理和通信功能；并依靠互聯(lián)網(wǎng)將數據向上位機傳送，同時(shí)支持遠端客戶(hù)對設備進(jìn)行遠程控制，從而實(shí)現遠程監控功能的具體方法。

　　1 系統平臺的構建

　　本系統由嵌入式平臺服務(wù)器、前端控制器、前端傳感器、客戶(hù)端和配置PC 組成。開(kāi)發(fā)時(shí)可通過(guò)配置PC來(lái)下載系統和應用軟件。嵌入式系統平臺能夠收集現場(chǎng)數據。并傳送到遠端客戶(hù)機，之后由遠端客戶(hù)機對數據進(jìn)行處理，接著(zhù)發(fā)送控制信號給系統服務(wù)器，以便通過(guò)前端控制器對設備進(jìn)行遠程控制。其系統結構如圖1所示。

　　1．1 硬件開(kāi)發(fā)平臺

　　該系統的硬件開(kāi)發(fā)平臺可選擇SmartARM2200。該嵌入式設備的核心是ARM7TDMI的LPC2210．開(kāi)發(fā)板自身具有A／D轉換器和多個(gè)GPIO(通用I／O)口，可對工業(yè)現場(chǎng)的各種設備、儀表進(jìn)行數據采集和監控。使用時(shí)，只要將相應的傳感器信號接入控制器的端口即可。其開(kāi)發(fā)板系統的硬件配置如圖2所示。

　　1．2 uCLinux操作系統

　　操作系統是嵌入式設備軟件的核心部分。本系統采用 uCLinux系統平臺來(lái)完成對硬件系統的管理和維護。uCLinux是廣泛應用于微控制領(lǐng)域的一種嵌入式Linux操作系統。它通過(guò)對標準Linux內核的裁減，可去除虛擬內存管理部分代碼，以對內存分配進(jìn)行優(yōu)化。從而達到提高系統運行效率的目的。uCLinux則可經(jīng)過(guò)各方面的小型化改造形成一個(gè)高度優(yōu)化、代碼緊湊的嵌入式Linux，它保留了Linux的大多數優(yōu)點(diǎn)，包括穩定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò )功能、完備的文件系統支持、豐富的API等。

　　1．3 uCLinux在A(yíng)RM平臺上的移植

　　若將uCLinux移植到SmartARM2200上，需要進(jìn)行以下四個(gè)步驟：

　　(1)下載源碼，建立交叉編譯環(huán)境

　　uCLinux是自由軟件(完全開(kāi)放代碼)。用戶(hù)可以直接從http：／／www．uclinux．org／pub／uclinux處下載源代碼并安裝到Red Hat9．0系統下，以便正常在Red Hat9．0建立起交叉編譯環(huán)境。

　　(2)配置和編譯內核

　　進(jìn)入到安裝好的uCLinux目錄，依次執行下面的命令：

　　make menuconfig；進(jìn)入配置菜單后，選擇Vendor／Product(廠(chǎng)商／產(chǎn)品)下的PHILIPS／lpc2200；用Kernel Version(內核版本)選擇Linux-2．4．x，Libc Version(函數庫版本)選擇uClibc：其余內核和應用程序選項可根據情況選擇。

　　    make dep

　　    make clean

　　    make lib_only

　　    make user_only

　　    make romfs

　　    make image

　　    make

　　編譯結束后會(huì )在uCLinux安裝目錄下生成romfs．img文件，利用它可以制作RAM Disk，然后在linux-2．4．X目錄下生成elf格式的Linux內核文件，并以下列方式將其轉換成bin格式：

　　    #arm-elf-objcopy-O binary linux linux．bin

　　從而生成下載用的uCLinux內核鏡像文件linux．bin。

　　(3)制作Ram Disk掛栽根文件系統

　　首先創(chuàng )建一個(gè)512 kB的虛擬磁盤(pán)，并將虛擬磁盤(pán)文件格式轉化成ext2格式：

　　    dd if／dev／zero of="initrd"．img bs="1024" count="512"

　　    mkfs．ext2-c init．img

　　然后將init．img和romfs．img加載到主機文件系統上，并在RAM中建立需要的目錄：／bin，／dev，／etc，／var，進(jìn)而拷貝ROM中的文件到ram目錄中。

　　下來(lái)在RAM盤(pán)dev目錄下創(chuàng )建設備節點(diǎn)：

　　    #mknod ram／dev／ttyS0 c 4 64

　　    #mknod ram／dev／console c 5 1

　　最后卸載init．img和romfs．img，并應確保init．img修改已保存，至此，RAM DISK便創(chuàng )建完成。

　　(4)下載內核和文件系統

　　正確設置主板啟動(dòng)選擇跳線(xiàn)。主板加電后，在超級終端上便可以看到BootLoader引導信息，可選擇默認的FTP連接，并使用BootLoader默認的 IP進(jìn)行下載，然后啟動(dòng)gftp，輸入主板默認的IP和端口號。這樣，linux主機就可以和主機連接，最后選擇需要下載的Linux內核文件和RAM盤(pán)及相關(guān)的配置文件即可。

　　2 監控系統功能的實(shí)現

　　監控系統主要由3個(gè)部分組成：數據采集部分，設備控制部分，數據傳輸部分。數據采集部分可對傳感器信號進(jìn)行A／D轉換，并對采集到的數據進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，同時(shí)提供調整運行參數的接口。數據傳輸部分可將采集的數據傳送到遠端的主機，并接收遠端主機的控制信息。遠端主機則對傳輸過(guò)來(lái)的遠程數據進(jìn)行處理、存儲和顯示，并可以修改數據采集部分的參數以控制數據采集，同時(shí)依據采集到的數據對設備發(fā)出操作指令，或對遠端的設備進(jìn)行控制，從而實(shí)現遠程監控功能。

　　2．1 數據采集

　　使用A／D轉換設備前，首先要創(chuàng )建設備節點(diǎn)，并加載ADC驅動(dòng)，然后通過(guò)open()和close()將其打開(kāi)和關(guān)閉．主要的數據采集程序如下：

　　    ……

　　    ioctl(fd，ADC_SET_CLKDIV，(Fpclk+fadc1)/fadc-1)；／／設置A／D轉換速度；

　　    ioctl(fd，ADC_SET_BITS，10)；／／設置A／D轉換精度；

　　    while(1) {

　　    ad_data=0；

　　    read(fd，&ad_data，sizeof(ad_data))；／／讀取A/D轉換的值；

　　    ……

　　2．2 GPIO設備控制

　　同A／D轉換設備類(lèi)似，使用GPIO也需先創(chuàng )建設備節點(diǎn)并加載驅動(dòng)。對GPIO操作前，應通過(guò)open()打開(kāi)，使用后應通過(guò)close()關(guān)閉。

　　首先。選定開(kāi)發(fā)板上沒(méi)有使用過(guò)的GPIO端口，設定其輸入／輸入狀態(tài)，然后根據客戶(hù)端返回的信息對端口進(jìn)行操作，輸出0／1的電平，以使其外部連接的繼電器動(dòng)作。從而控制設備的運轉。程序主要通過(guò)函數ioctl來(lái)實(shí)現。ioctl是設備驅動(dòng)程序中對設備的I／O通道進(jìn)行管理的函數，通過(guò)它可對設備的一些特性進(jìn)行控制．其函數原形為：

　　    int ioctl(int fd，ind cmd，…)；

　　其中，fd是用程序打開(kāi)設備時(shí)，使用open函數返回的文件標示符；cmd是用戶(hù)程序對設備的控制命令；至于后面的省略號，則是一些補充參數(一般最多一個(gè)，有或沒(méi)有是和cmd的意義相關(guān)的)。在這里，可通過(guò)如下一組函數來(lái)實(shí)現：

　　    ioctl(fd1，GPIO_SET_PIN_IN，devicel)；

　　    ／／設置管角為輸出狀態(tài)；

　　    ioctl( fd2， GPIO_SET_PIN_OUT， devicel_state)；

　　    ／／設置管角為輸入狀態(tài)；

　　    ioctl(fd2,GPIO_READ_PIN,&devicel_state)；

　　    ／／讀取設備狀態(tài)管角；

　　    ioctl(fd1，GPIO_CLR_PIN,device)；

　　    ／／清除設備管角控制信號；

　　2．3 網(wǎng)絡(luò )通信程序

　　網(wǎng)絡(luò )通信程序可使用TCP／IP協(xié)議下標準的socket套接字編寫(xiě)。套接字(socket)是網(wǎng)絡(luò )通信的基本操作單元。它提供了不同主機間進(jìn)程雙向通信的端點(diǎn)。這些進(jìn)程在通信前應各自建立一個(gè)socket，并通過(guò)對 socket的讀／寫(xiě)操作實(shí)現網(wǎng)絡(luò )通信功能。常用的套接字有兩種：流式套接字(Stream Socket)和數據報套接字(Datagram Socket)。其中，流式套接字是可靠的面向連接的通信數據流，是無(wú)錯誤的傳輸；而數據報套接字則使用UDP來(lái)傳送數據包，數據包的順序是沒(méi)有保障的。本系統采用流式套接字進(jìn)行程序設計。

　　流式套接字的服務(wù)進(jìn)程和客戶(hù)進(jìn)程建立連接及通信的程序流程如圖3所示?，F具體說(shuō)明如下：

　　(1)服務(wù)進(jìn)程首先調用socket()創(chuàng )建一個(gè)流式套接字，并調用bind()將服務(wù)器地址捆扎在該套接字上，接著(zhù)調用listen()監聽(tīng)連接請求，隨后調用accept()做好與客戶(hù)進(jìn)程建立連接的準備。無(wú)連接請求時(shí)，服務(wù)進(jìn)程被阻塞；
 
　　(2)客戶(hù)進(jìn)程先調用socket()創(chuàng )建流式套接字，然后調用connect()向服務(wù)進(jìn)程發(fā)出連接請求；

　　(3)當連接請求到來(lái)后，服務(wù)進(jìn)程被喚醒，并生成一個(gè)新的流式套接字。同時(shí)用新套接字同客戶(hù)進(jìn)程的套接字建立連接，而服務(wù)進(jìn)程最早生成的套接字則繼續用于監聽(tīng)網(wǎng)絡(luò )上的服務(wù)請求；

　　(4)服務(wù)進(jìn)程和客戶(hù)進(jìn)程通過(guò)調用send()和recv()來(lái)交換數據，服務(wù)器可向客戶(hù)端傳送所收集的數據?？蛻?hù)端則向服務(wù)器反饋控制信息和參數調整信息；

　　(5)服務(wù)進(jìn)程或客戶(hù)進(jìn)程可通過(guò)調用close()來(lái)撤消套接字并中斷連接。

　　服務(wù)器端的程序通過(guò)交叉編譯環(huán)境編譯后?？赏ㄟ^(guò)NFS(網(wǎng)絡(luò )文件系統)下載到開(kāi)發(fā)板中，然后手動(dòng)加入到rc引導文件中。即可實(shí)現開(kāi)機自動(dòng)運行。

　　3 結束語(yǔ)

　　基于A(yíng)RM和CLinux嵌入式系統代表了目前嵌入式系統的發(fā)展方向。嵌 入式系統與網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和控制技術(shù)相結合．是嵌入式系統發(fā)展的必然趨勢。本文討論了基于A(yíng)RM+uCLinux平臺的網(wǎng)絡(luò )控制系統設計與實(shí)現方法。并對該平臺下應用 TCP／IP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )通信進(jìn)行了探討。該方法對于自動(dòng)化樓宇、工業(yè)控制、智能家居等方面都有一定的借鑒意義。