基于S3C2410和Linux2.6的無線網絡數據采集終端

引言

數據采集技術在工業(yè)現場控制、醫(yī)療監(jiān)護、環(huán)境檢測以及交通監(jiān)控等領域有著廣泛的應用。傳統(tǒng)數據采集采用以單片機為核心的設計模式，數據的存儲、傳輸以及實時分析都需要額外的PC的輔助來實現，其成本高、體積大、不便于攜帶。因此，本文提出基于ARM和Linux的嵌入式數據采集終端。硬件上選用SAMSUNG公司為PDA、Internet設備、手持終端等開發(fā)的S3C2410處理器，主頻最高可達266MHz，內部提供豐富的外設接口。采用基于2.6內核的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，具有易移植裁減、內核小、效率高、性能優(yōu)異的網絡模塊等特點，最新的2.6內核在支持嵌入式應用方面做了很大的改進，能夠很好的實現電源管理，并提供對IEEE802.11無線協(xié)議的良好支持。

1、系統(tǒng)結構與硬件設計

1.1 系統(tǒng)結構

嵌入式終端通過AD轉換采集模擬信號，基于Qt Embedded的界面應用程序將多通道的采集結果以數據/時間的方式圖表化實時顯示在LCD上，以供用戶實時分析比較。用戶使用觸摸屏與系統(tǒng)交互，可以選擇對所采集數據基于無線網絡傳輸或者存儲至U盤等存儲介質的操作。系統(tǒng)結構框圖見圖1。系統(tǒng)分層設計的，上層的Qt Embedded應用程序可以根據具體的用戶需要來改寫，而不會涉及底層硬件以及Linux系統(tǒng)。

1.2 硬件設計

硬件總體結構如圖2所示。

核心板由S3C2410芯片、兩片32M16bit位寬的SDRAM級聯成的64M32bit位寬的SDRAM，64M的NAND FLASH組成。64M的SDRAM能夠保證系統(tǒng)運行流暢，64M的FLASH也為ViVi引導程序、Linux內核及文件系統(tǒng)、Qt Embedded應用程序以及數據存儲提供了足夠的空間。

擴展板上主要是一些外設模塊及其相關的擴展接口。S3C2410內部集成的LCD控制器通過SVT5001控制板驅動PVI的PA050XS1真彩色TFT顯示模組，提供320*234的解析度。4線電阻式觸摸屏通過MOSFET控制電路跟處理器內部觸摸屏控制器相連。使用了TI公司的TLC2578芯片來實現數據采集，TLC2578是8通道12位ADC，最高支持200KSPS的采樣，具有SPI接口，可以很方便的跟S3C2410上的高速SPI接口相連。S3C2410帶有USB HOST 控制器，USB HOST接口可以連接無線網卡進行數據傳輸，或者連接U盤進行數據的復制存儲。我們還保留了JTAG接口以及串口以便調試。

2、系統(tǒng)實現涉及的關鍵技術

2.1 Linux2.6內核移植

Linux2.6內核已經提供了對S3C2410處理器的支持。內核移植的主要工作在于采集終端所用硬件設備的驅動程序的移植上，這主要涉及設備模型的概念。統(tǒng)一設備模型的創(chuàng)建是2.6內核最重要的變化之一。它促進了模塊接口的標準化，其目的是更好地控制和管理設備。設備模型主要涉及三個重要的內核數據結構，bus_type、devicedevice_driver：

1） bus_type（總線）：總線是CPU跟各個設備之間的通道，系統(tǒng)中注冊了一個名為platform_bus_type的總線。

2） device（設備）：Linux系統(tǒng)的每一個物理存在的設備都用device結構的一個實例來表示，其成員包括該設備所要注冊的總線以及所要使用的設備驅動，arch/arm/mach-s3c2410/devs.c文件中，有著S3C2410平臺上所用設備的定義，他們以platform_device結構體的形式出現，該結構體是對device的封裝，device結構中的platform_data成員是設備相關的一些特有信息的描述。系統(tǒng)啟動時會將devs.c中所定義的相關platform_device設備注冊進platform_bus_type總線。

3） device_driver（設備驅動）：device_driver結構是Linux內核中各個設備驅動程序所要實現的一個結構。在驅動程序的起始函數中，driver_register函數完成各自的設備驅動向platform_bus_type總線的注冊。注冊過程會遍歷該總線上已經注冊的設備，找到與該設備驅動相匹配的接著調用該設備驅動的probe函數完成諸如寄存器設置、中斷申請等在內的硬件初始化工作并將該設備驅動和匹配到的設備綁定。

對于嵌入式linux驅動程序開發(fā)和移植人員來說，設置各個設備的platform_data成員是一個重要內容。Linux內核已經提供了S3C2410處理器上包括LCD、觸摸屏、NAND FLASH以及USB HOST在內的設備特有的相關信息的結構體描述，它們分別是s3c2410fb_mach_info、s3c2410_ts_mach_info、s3c2410_platform_nand以及s3c2410_hcd_info。我們結合所采用硬件的實際配置信息，對devs.c文件中所定義的各設備結構的platform_data成員進行賦值。以nand flash為例，在devs.c的s3c_device_nand中添加設備。dev={.platform_data=&mydata},添加flash參數信息struct s3c2410_platform_nand mydata={tacls:0,twrph0:30,twrph1:0,nr_sets: 1,sets:&nandset,},其中前三個參數需要參照flash芯片手冊來設置，添加flash分區(qū)設置信息struct s3c2410_nand_set nandset ={nr_partitions: 5 ,partitions: part_info ,}，添加分區(qū)狀況信息static struct mtd_partition part_info[] ={……}，最后還需將s3c_device_nand添加進smdk2410_devices指針數組。采用類似的方法可以實現內核對LCD、觸摸屏以及USB HOST的支持。

YAFFS文件系統(tǒng)是針對NAND嵌入式應用設計的一種可讀寫的文件系統(tǒng)，性能優(yōu)異，從網上獲得其YAFFS2版本源代碼，加入Linux內核代碼中。對修改過后的內核源碼進行配置，選上對MTD設備、NAND FLASH、LCD、觸摸屏以及YAFFS文件系統(tǒng)等的支持，選擇TCP/IP網絡協(xié)議以及802.11無線通信協(xié)議的支持。Linux2.6.14之后的內核摒棄了原來的DEVFS，改用SYSFS代替，也應選上。這樣修改過的內核源碼可交叉編譯下載到flash上。無線網卡的Linux下驅動經交叉編譯后可直接使用，作為模塊加載。

2.2 基于SPI接口的Linux下AD驅動的開發(fā)

S3C2410內部SPI接口兼容兩通道SPI協(xié)議2.11版本，發(fā)送和接收具有2×8位的移位寄存器，可以基于DMA或者中斷模式工作。我們使用TI公司的TLC2578芯片來實現數據采集。TLC2578是8通道12位ADC，最高支持200KSPS的采樣，具有SPI接口，可以很方便的跟S3C2410相連，電路原理圖見圖3。

AD驅動程序最終實現一個字符設備，利用次設備號0-7來區(qū)分8個通道的模擬量輸入。為了該驅動程序能夠被上層的Qt應用程序方便的調用，我們需要實現以下的接口函數：

1） open調用：打開數據采集通道，需要注意的是open調用不應該自動啟動AD采樣，而應該由ioctl調用提供顯式的控制接口。

2） release調用：關閉數據采集通道。

3） read調用：讀取采樣數據，阻塞式讀取，以字節(jié)數返回讀取到的數據量。

4） ioctl調用：提供以下一些設置命令。DS_ADC_START：啟動AD采樣，每次開始都會清空上次未讀走的數據。DS_ADC_STOP：停止AD采樣。

DS_ADC_SET_SAMPLE_INTERVAL：設定采樣時間間隔。

DS_ADC_GET_COUNT：獲取內存環(huán)行緩沖區(qū)中已存儲的采樣數據數量。

5） poll調用：供上層qt程序查詢是否有采樣數據可讀。

我們在內核空間為每個通道維持一個環(huán)形數據緩沖區(qū)，在定時中斷函數中向該緩沖區(qū)寫入采樣后的數據以供read調用處理。由于要實現最高10KHz的采樣頻率，也就是要求最短0.1ms的采樣間隔，因此我們使用S3C2410的內部定時器timer2來產生0.1ms的定時間隔，并使用一個全局的32位無符號整型變量g_count來記錄該時間間隔數。我們使用Tasklet的方法來響應timer2的定時器中斷，中斷處理函數只需要完成對g_count加1的工作，而AD轉換輸出數據的讀取等相關工作則交由Tasklet機制來實現，Linux系統(tǒng)會在適當的時刻完成這項工作，一般是在退出中斷處理程序之后，這樣的中斷響應機制可以提高系統(tǒng)的響應能力。Tasklet處理函數通過SPI口向TLC2578發(fā)送相應的命令，并從SPI口讀回AD轉換后的數據存入環(huán)形緩沖區(qū)，這個流程跟單片機上使用SPI接口與AD通信一致，在此不再贅述。

3、應用實例

基于S3C2410和Linux2.6的無線網絡數據采集終端已經被市場采用，用于大中學生實驗室實驗數據的自動采集顯示以及數據的上傳，我們?yōu)槠涠ㄖ频腝t Embedded程序界面見圖4。應用表明該終端的軟硬件運行十分穩(wěn)定，能夠將所采集數據實時的在LCD上顯示，以供使用者觀察分析，提供良好的交互，使用起來十分方便，并且基于無線網絡的數據傳輸避免了現場布線等問題。

４、結論

本文提出的基于S3C2410和Linux2.6的無線網絡數據采集終端可以適用于多種場合，例如醫(yī)療監(jiān)護、工業(yè)監(jiān)控，環(huán)境檢測，交通監(jiān)控等等。針對不同場合應用時只需根據所需采集對象的不同為其添加合適的前置傳感電路，應用界面的實現亦可根據實際需求定制，十分方便。802.11無線網絡所具有的優(yōu)勢使得本便攜式終端的應用前景十分廣泛。

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