基于嵌入式Linux的接口轉換卡設計

接口總線(xiàn)為一群互相連接的設備提供一種有效的通信方式，它是自動(dòng)測試系統發(fā)展的標志,可以說(shuō)接口總線(xiàn)技術(shù)發(fā)展的歷史就是自動(dòng)測試系統發(fā)展史,接口總線(xiàn)技術(shù)發(fā)展的水平標志著(zhù)自動(dòng)測試發(fā)展的水平。本文提出的接口轉換方案解決了包括USB總線(xiàn)、GPIB總線(xiàn)、網(wǎng)絡(luò )等幾種通用標準接口之間的相互轉換。本方案以嵌入式Linux操作系統和ARM處理器為軟硬件平臺，在自動(dòng)測試系統的應用中取得了良好的應用效果。

硬件系統設計

硬件平臺基于A(yíng)RM920T的處理器AT91RM9200，該處理器不僅有豐富的片上資源和標準接口，而且有低功耗、低成本、高性能、支持多種主要的嵌入式操作系統等特點(diǎn)，其采用5級整數流水線(xiàn)結構，性能高達200MIPS，具有標準的ARMv4存儲器管理單元（MMU），內部集成兩個(gè)USB2.0全速（12Mb/s）主機端口、一個(gè)USB2.0全速（12Mb/s）器件端口和10/100 Base-T型以太網(wǎng)接口。該芯片具有多種工作模式，其低功耗待機模式下電流僅3.1mA。

此方案的硬件系統結構設計如圖1所示，主要包括AT91RM9200處理器、GPIB模塊、JTAG接口、網(wǎng)絡(luò )模塊、32M SDRAM、16M FLASH、串口、USB主從口等部分。其中GPIB模塊通過(guò)CPLD器件EPM1270邏輯控制GPIB接口芯片NAT9914實(shí)現，網(wǎng)絡(luò )模塊通過(guò)外接DM9161實(shí)現10/100M自適應網(wǎng)絡(luò )連接。另外，處理器內置的雙主機收發(fā)器可連接USB設備。

圖1  硬件系統結構

軟件系統設計

Linux系統的移植

Linux操作系統是可以運行在不同類(lèi)型計算機上的一種操作系統的“內核”，它提供命令行或者程序與計算機硬件之間接口的軟件核心部分。嵌入式Linux系統從軟件角度分為4個(gè)層次，分別為引導加載程序（Boot Loader）、內核、文件系統和用戶(hù)程序。

Boot Loader 就是在操作系統內核運行之前運行的一段小程序。通過(guò)這段小程序，可以初始化硬件設備、建立內存空間的映射圖，從而將系統的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，以便為最終調用操作系統內核準備好正確的環(huán)境。

本方案中Linux內核采用Linux2.6.16版的kernel。因為本方案需要訪(fǎng)問(wèn)U盤(pán)，所以?xún)群酥斜仨毤由现С諹盤(pán)的模塊，包括SCSI support、SCSI disk support、USB mass storage support、VFAT（windows95）support、MSDOS partition tables等。USB器件端口與USB主機通信，可以有三種方式：一些功能最完備結構也最復雜的設備，采用用戶(hù)定制的內核模塊實(shí)現在標準USB總線(xiàn)上運行復雜的高級協(xié)議，由USB主機上相應的用戶(hù)驅動(dòng)程序和應用程序來(lái)完成連接；另一些基于Linux系統的USB設備則利用USB總線(xiàn)來(lái)實(shí)現該設備與主機之間的簡(jiǎn)單點(diǎn)對點(diǎn)串行連接，主機上的應用程序實(shí)際上是利用了主操作系統所提供的USB編程接口，但實(shí)現的是串行通信協(xié)議；最后一種是設備將主計算機作為網(wǎng)關(guān)，將USB設備連接到辦公局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)上，從而USB設備構成了一個(gè)模擬以太網(wǎng)接口。本方案采用最后一種方式，配置了內核中的USB RNDIS gadget模塊，該模塊利用USB接口作為物理媒介，模擬出一個(gè)虛構的以太網(wǎng)設備。

文件系統是用戶(hù)模式進(jìn)程與內核模式進(jìn)程交互的紐帶，制作具有特定的功能的文件系統是移植嵌入式系統不可缺少的部分。本方案利用Busybox軟件工具包構造EXT2文件系統，此軟件包集成了Linux常用命令，可根據需求裁減，極大的方便了嵌入式系統的開(kāi)發(fā)。

應用程序的具體實(shí)現

數據在多個(gè)接口之間的轉換主要是在用戶(hù)態(tài)的應用程序中實(shí)現。此應用程序主要完成的功能是兩個(gè)USB主口（一個(gè)接USB儀器，一個(gè)接U盤(pán)）、一個(gè)USB從口、GPIB口和網(wǎng)口之間的數據交換。程序自動(dòng)檢測接口是否處于連接狀態(tài)：如果是，便監聽(tīng)是否有數據需要傳送，并將監聽(tīng)到的數據傳給其他處于連接狀態(tài)的接口。整個(gè)應用程序的框架如圖2所示。

圖2  應用程序整體框架


各個(gè)子進(jìn)程的功能如下：

子進(jìn)程1：USB從口的實(shí)現主要依靠?jì)群酥械腢SB RNDIS gadget模塊的支持，當USB從口連接至PC時(shí)，在PC上模擬以太網(wǎng)接口，用TCP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議傳輸數據；

子進(jìn)程2：USB主口1專(zhuān)用于USB設備的USB端口；

子進(jìn)程3：USB主口2專(zhuān)用于U盤(pán)，將U盤(pán)實(shí)際連接，當有數據傳給U盤(pán)時(shí)，便在Linux操作系統上掛載U盤(pán)，并以二進(jìn)制方式將數據存儲到U盤(pán)的linux.txt文件中，15s內沒(méi)有數據傳輸就會(huì )卸載U盤(pán)；

子進(jìn)程4：網(wǎng)口是以TCP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議傳輸數據。子進(jìn)程1和子進(jìn)程4分別實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器功能；

子進(jìn)程5：在Linux操作系統中為GPIB口準備一個(gè)中斷例程，當GPIB口有動(dòng)作時(shí)，會(huì )首先產(chǎn)生一個(gè)中斷，應用程序立即跳轉中斷處理執行程序相關(guān)操作。

由于接口總線(xiàn)協(xié)議的解析都在Linux驅動(dòng)中完成，所以子進(jìn)程間的數據傳輸直接代表了接口總線(xiàn)的通信。子進(jìn)程創(chuàng )建了自己專(zhuān)用的管道FIFO，以完成進(jìn)程間的數據交換。

每個(gè)子進(jìn)程都有一個(gè)主線(xiàn)程，完成端口的連接狀態(tài)檢測，主線(xiàn)程的流程圖如圖3所示。端口輸出數據的處理主要由線(xiàn)程readfifo完成，它讀取該進(jìn)程的專(zhuān)用管道FIFO的數據，如果從FIFO中讀到了數據，并且該端口連接標志位flag為1（表示該端口處于連接狀態(tài)），便將此數據填入該端口的輸出緩沖區，否則將讀到的數據舍去。端口輸入數據的處理由另一個(gè)線(xiàn)程完成，如果該端口處于連接狀態(tài)，主線(xiàn)程就會(huì )創(chuàng )建該子線(xiàn)程實(shí)時(shí)讀取該端口的輸入數據，并將數據通過(guò)專(zhuān)用管道傳給其他進(jìn)程。

圖3  主線(xiàn)流程圖


在整個(gè)應用程序中，各個(gè)端口的數據轉發(fā)利用了Linux進(jìn)程間的數據通信技術(shù)。每個(gè)端口都設置了一定大小的數據緩沖區，使數據能夠連續發(fā)送而不受外圍控制器速度的影響，接收數據可靠，并盡可能減少了錯誤接收和錯誤判斷的可能性。

結語(yǔ)

本文介紹了基于A(yíng)T91RM9200平臺和嵌入式Linux的一種接口轉換卡的軟硬件設計，它實(shí)現了USB、GPIB和網(wǎng)絡(luò )之間的數據通信。此轉換卡具有廣泛的實(shí)際應用價(jià)值，如PC通過(guò)網(wǎng)絡(luò )遠程控制USB設備或GPIB主機控制USB設備等等。目前本方案已成功應用于示波器的接口擴展，事實(shí)證明該方案能夠為組建接口總線(xiàn)繁多的自動(dòng)測試系統提供幫助，取得了良好的效果。

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