基于ARM uCLinux的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

引言

隨著網(wǎng)絡和通信技術的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)現(xiàn)已進入高速發(fā)展階段。并在社會各個領域得到了廣泛的應用。本文介紹了一種采用ARM+uCLinux作為開發(fā)平臺。實現(xiàn)基于TCP／IP的遠程系統(tǒng)監(jiān)控．從而取代傳統(tǒng)單片機來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、預處理和通信功能；并依靠互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)向上位機傳送，同時支持遠端客戶對設備進行遠程控制，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能的具體方法。

1 系統(tǒng)平臺的構建

本系統(tǒng)由嵌入式平臺服務器、前端控制器、前端傳感器、客戶端和配置PC組成。開發(fā)時可通過配置PC來下載系統(tǒng)和應用軟件。嵌入式系統(tǒng)平臺能夠收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)。并傳送到遠端客戶機，之后由遠端客戶機對數(shù)據(jù)進行處理，接著發(fā)送控制信號給系統(tǒng)服務器，以便通過前端控制器對設備進行遠程控制。其系統(tǒng)結構如圖1所示
 

1．1 硬件開發(fā)平臺
 

該系統(tǒng)的硬件開發(fā)平臺可選擇SmartARM2200。該嵌入式設備的核心是ARM7TDMI的LPC2210．開發(fā)板自身具有A／D轉換器和多個GPIO(通用I／O)口，可對工業(yè)現(xiàn)場的各種設備、儀表進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。使用時，只要將相應的傳感器信號接入控制器的端口即可。其開發(fā)板系統(tǒng)的硬件配置如圖2所示。

1．2 uCLinux操作系統(tǒng)

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

1．3 uCLinux在ARM平臺上的移植

若將uCLinux移植到SmartARM2200上，需要進行以下四個步驟：

(1)下載源碼，建立交叉編譯環(huán)境

uCLinux是自由軟件(完全開放代碼)。用戶可以直接從http：／／www．uclinux．org／pub／uclinux處下載源代碼并安裝到Red Hat9．0系統(tǒng)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(nèi)核

進入到安裝好的uCLinux目錄，依次執(zhí)行下面的命令：

make menuconfig；進入配置菜單后，選擇Vendor／Product(廠商／產(chǎn)品)下的PHILIPS／lpc2200；用Kernel Version(內(nèi)核版本)選擇Linux-2．4．x，Libc Version(函數(shù)庫版本)選擇uClibc：其余內(nèi)核和應用程序選項可根據(jù)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(nèi)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(nèi)核鏡像文件linux．bin。

(3)制作Ram Disk掛栽根文件系統(tǒng)

首先創(chuàng)建一個512 kB的虛擬磁盤，并將虛擬磁盤文件格式轉化成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(tǒng)上，并在RAM中建立需要的目錄：／bin，／dev，／etc，／var，進而拷貝ROM中的文件到ram目錄中。

下來在RAM盤dev目錄下創(chuàng)建設備節(jié)點：

#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(nèi)核和文件系統(tǒng)

正確設置主板啟動選擇跳線。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進行下載，然后啟動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(nèi)核文件和RAM盤及相關的配置文件即可。

2 監(jiān)控系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

監(jiān)控系統(tǒng)主要由3個部分組成：數(shù)據(jù)采集部分，設備控制部分，數(shù)據(jù)傳輸部分。數(shù)據(jù)采集部分可對傳感器信號進行A／D轉換，并對采集到的數(shù)據(jù)進行簡單的處理，同時提供調(diào)整運行參數(shù)的接口。數(shù)據(jù)傳輸部分可將采集的數(shù)據(jù)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來的遠程數(shù)據(jù)進行處理、存儲和顯示，并可以修改數(shù)據(jù)采集部分的參數(shù)以控制數(shù)據(jù)采集，同時依據(jù)采集到的數(shù)據(jù)對設備發(fā)出操作指令，或對遠端的設備進行控制，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。

2．1 數(shù)據(jù)采集

使用A／D轉換設備前，首先要創(chuàng)建設備節(jié)點，并加載ADC驅動，然后通過open()和close()將其打開和關閉．主要的數(shù)據(jù)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轉換設備類似，使用GPIO也需先創(chuàng)建設備節(jié)點并加載驅動。對GPIO操作前，應通過open()打開，使用后應通過close()關閉。

 首先。選定開發(fā)板上沒有使用過的GPIO端口，設定其輸入／輸入狀態(tài)，然后根據(jù)客戶端返回的信息對端口進行操作，輸出0／1的電平，以使其外部連接的繼電器動作。從而控制設備的運轉。程序主要通過函數(shù)ioctl來實現(xiàn)。ioctl是設備驅動程序中對設備的I／O通道進行管理的函數(shù)，通過它可對設備的一些特性進行控制．其函數(shù)原形為：

int ioctl(int fd，ind cmd，…)；

其中，fd是用程序打開設備時，使用open函數(shù)返回的文件標示符；cmd是用戶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(shù)(一般最多一個，有或沒有是和cmd的意義相關的)。在這里，可通過如下一組函數(shù)來實現(xiàn)：

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)絡通信程序

網(wǎng)絡通信程序可使用TCP／IP協(xié)議下標準的socket套接字編寫。套接字(socket)是網(wǎng)絡通信的基本操作單元。它提供了不同主機間進程雙向通信的端點。這些進程在通信前應各自建立一個socket，并通過對socket的讀／寫操作實現(xiàn)網(wǎng)絡通信功能。常用的套接字有兩種：流式套接字(Stream Socket)和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)流，是無錯誤的傳輸；而數(shù)據(jù)報套接字則使用UDP來傳送數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的順序是沒有保障的。本系統(tǒng)采用流式套接字進行程序設計。

流式套接字的服務進程和客戶進程建立連接及通信的程序流程如圖3所示?，F(xiàn)具體說明如下：
 

(1)服務進程首先調(diào)用socket()創(chuàng)建一個流式套接字，并調(diào)用bind()將服務器地址捆扎在該套接字上，接著調(diào)用listen()監(jiān)聽連接請求，隨后調(diào)用accept()做好與客戶進程建立連接的準備。無連接請求時，服務進程被阻塞；

(2)客戶進程先調(diào)用socket()創(chuàng)建流式套接字，然后調(diào)用connect()向服務進程發(fā)出連接請求；

(3)當連接請求到來后，服務進程被喚醒，并生成一個新的流式套接字。同時用新套接字同客戶進程的套接字建立連接，而服務進程最早生成的套接字則繼續(xù)用于監(jiān)聽網(wǎng)絡上的服務請求；

(4)服務進程和客戶進程通過調(diào)用send()和recv()來交換數(shù)據(jù)，服務器可向客戶端傳送所收集的數(shù)據(jù)?？蛻舳藙t向服務器反饋控制信息和參數(shù)調(diào)整信息； 
 

(5)服務進程或客戶進程可通過調(diào)用close()來撤消套接字并中斷連接。

服務器端的程序通過交叉編譯環(huán)境編譯后?？赏ㄟ^NFS(網(wǎng)絡文件系統(tǒng))下載到開發(fā)板中，然后手動加入到rc引導文件中。即可實現(xiàn)開機自動運行
 

3 結束語

基于ARM和CLinux嵌入式系統(tǒng)代表了目前嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展方向。嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡技術和控制技術相結合．是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。本文討論了基于ARM+uCLinux平臺的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)方法。并對該平臺下應用TCP／IP協(xié)議進行網(wǎng)絡通信進行了探討。該方法對于自動化樓宇、工業(yè)控制、智能家居等方面都有一定的借鑒意義。