基于S3C2410和Linux2.6的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集終端

引言

數(shù)據(jù)采集技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場控制、醫(yī)療監(jiān)護、環(huán)境檢測以及交通監(jiān)控等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集采用以單片機為核心的設(shè)計模式，數(shù)據(jù)的存儲、傳輸以及實時分析都需要額外的PC的輔助來實現(xiàn)，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(shù)據(jù)采集終端。硬件上選用SAMSUNG公司為PDA、Internet設(shè)備、手持終端等開發(fā)的S3C2410處理器，主頻最高可達266MHz，內(nèi)部提供豐富的外設(shè)接口。采用基于2.6內(nèi)核的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，具有易移植裁減、內(nèi)核小、效率高、性能優(yōu)異的網(wǎng)絡(luò)模塊等特點，最新的2.6內(nèi)核在支持嵌入式應(yīng)用方面做了很大的改進，能夠很好的實現(xiàn)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(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

嵌入式終端通過AD轉(zhuǎn)換采集模擬信號，基于Qt Embedded的界面應(yīng)用程序?qū)⒍嗤ǖ赖牟杉Y(jié)果以數(shù)據(jù)/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(shù)據(jù)基于無線網(wǎng)絡(luò)傳輸或者存儲至U盤等存儲介質(zhì)的操作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1。系統(tǒng)分層設(shè)計的，上層的Qt Embedded應(yīng)用程序可以根據(jù)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(shè)計

硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

核心板由S3C2410芯片、兩片32M16bit位寬的SDRAM級聯(lián)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(dǎo)程序、Linux內(nèi)核及文件系統(tǒng)、Qt Embedded應(yīng)用程序以及數(shù)據(jù)存儲提供了足夠的空間。

擴展板上主要是一些外設(shè)模塊及其相關(guān)的擴展接口。S3C2410內(nèi)部集成的LCD控制器通過SVT5001控制板驅(qū)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(nèi)部觸摸屏控制器相連。使用了TI公司的TLC2578芯片來實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(wǎng)卡進行數(shù)據(jù)傳輸，或者連接U盤進行數(shù)據(jù)的復(fù)制存儲。我們還保留了JTAG接口以及串口以便調(diào)試。

2、系統(tǒng)實現(xiàn)涉及的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 Linux2.6內(nèi)核移植

Linux2.6內(nèi)核已經(jīng)提供了對S3C2410處理器的支持。內(nèi)核移植的主要工作在于采集終端所用硬件設(shè)備的驅(qū)動程序的移植上，這主要涉及設(shè)備模型的概念。統(tǒng)一設(shè)備模型的創(chuàng)建是2.6內(nèi)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(shè)備。設(shè)備模型主要涉及三個重要的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，bus_type、devicedevice_driver：

1） bus_type（總線）：總線是CPU跟各個設(shè)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(shè)備）：Linux系統(tǒng)的每一個物理存在的設(shè)備都用device結(jié)構(gòu)的一個實例來表示，其成員包括該設(shè)備所要注冊的總線以及所要使用的設(shè)備驅(qū)動，arch/arm/mach-s3c2410/devs.c文件中，有著S3C2410平臺上所用設(shè)備的定義，他們以platform_device結(jié)構(gòu)體的形式出現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)體是對device的封裝，device結(jié)構(gòu)中的platform_data成員是設(shè)備相關(guān)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(guān)platform_device設(shè)備注冊進platform_bus_type總線。

3） device_driver（設(shè)備驅(qū)動）：device_driver結(jié)構(gòu)是Linux內(nèi)核中各個設(shè)備驅(qū)動程序所要實現(xiàn)的一個結(jié)構(gòu)。在驅(qū)動程序的起始函數(shù)中，driver_register函數(shù)完成各自的設(shè)備驅(qū)動向platform_bus_type總線的注冊。注冊過程會遍歷該總線上已經(jīng)注冊的設(shè)備，找到與該設(shè)備驅(qū)動相匹配的接著調(diào)用該設(shè)備驅(qū)動的probe函數(shù)完成諸如寄存器設(shè)置、中斷申請等在內(nèi)的硬件初始化工作并將該設(shè)備驅(qū)動和匹配到的設(shè)備綁定。

對于嵌入式linux驅(qū)動程序開發(fā)和移植人員來說，設(shè)置各個設(shè)備的platform_data成員是一個重要內(nèi)容。Linux內(nèi)核已經(jīng)提供了S3C2410處理器上包括LCD、觸摸屏、NAND FLASH以及USB HOST在內(nèi)的設(shè)備特有的相關(guān)信息的結(jié)構(gòu)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(jié)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(shè)備結(jié)構(gòu)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(shè)備。dev={.platform_data=&mydata},添加flash參數(shù)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(shù)需要參照flash芯片手冊來設(shè)置，添加flash分區(qū)設(shè)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(shù)組。采用類似的方法可以實現(xiàn)內(nèi)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(yīng)用設(shè)計的一種可讀寫的文件系統(tǒng)，性能優(yōu)異，從網(wǎng)上獲得其YAFFS2版本源代碼，加入Linux內(nèi)核代碼中。對修改過后的內(nèi)核源碼進行配置，選上對MTD設(shè)備、NAND FLASH、LCD、觸摸屏以及YAFFS文件系統(tǒng)等的支持，選擇TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及802.11無線通信協(xié)議的支持。Linux2.6.14之后的內(nèi)核摒棄了原來的DEVFS，改用SYSFS代替，也應(yīng)選上。這樣修改過的內(nèi)核源碼可交叉編譯下載到flash上。無線網(wǎng)卡的Linux下驅(qū)動經(jīng)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(qū)動的開發(fā)

S3C2410內(nèi)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(xiàn)數(shù)據(jù)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(qū)動程序最終實現(xiàn)一個字符設(shè)備，利用次設(shè)備號0-7來區(qū)分8個通道的模擬量輸入。為了該驅(qū)動程序能夠被上層的Qt應(yīng)用程序方便的調(diào)用，我們需要實現(xiàn)以下的接口函數(shù)：

1） open調(diào)用：打開數(shù)據(jù)采集通道，需要注意的是open調(diào)用不應(yīng)該自動啟動AD采樣，而應(yīng)該由ioctl調(diào)用提供顯式的控制接口。

2） release調(diào)用：關(guān)閉數(shù)據(jù)采集通道。

3） read調(diào)用：讀取采樣數(shù)據(jù)，阻塞式讀取，以字節(jié)數(shù)返回讀取到的數(shù)據(jù)量。

4） ioctl調(diào)用：提供以下一些設(shè)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(shù)據(jù)。DS_ADC_STOP：停止AD采樣。

DS_ADC_SET_SAMPLE_INTERVAL：設(shè)定采樣時間間隔。

DS_ADC_GET_COUNT：獲取內(nèi)存環(huán)行緩沖區(qū)中已存儲的采樣數(shù)據(jù)數(shù)量。

5） poll調(diào)用：供上層qt程序查詢是否有采樣數(shù)據(jù)可讀。

我們在內(nèi)核空間為每個通道維持一個環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在定時中斷函數(shù)中向該緩沖區(qū)寫入采樣后的數(shù)據(jù)以供read調(diào)用處理。由于要實現(xiàn)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(nèi)部定時器timer2來產(chǎn)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(shù)。我們使用Tasklet的方法來響應(yīng)timer2的定時器中斷，中斷處理函數(shù)只需要完成對g_count加1的工作，而AD轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)的讀取等相關(guān)工作則交由Tasklet機制來實現(xiàn)，Linux系統(tǒng)會在適當?shù)臅r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(yīng)機制可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)能力。Tasklet處理函數(shù)通過SPI口向TLC2578發(fā)送相應(yīng)的命令，并從SPI口讀回AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)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(yīng)用實例

基于S3C2410和Linux2.6的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集終端已經(jīng)被市場采用，用于大中學生實驗室實驗數(shù)據(jù)的自動采集顯示以及數(shù)據(jù)的上傳，我們?yōu)槠涠ㄖ频腝t Embedded程序界面見圖4。應(yīng)用表明該終端的軟硬件運行十分穩(wěn)定，能夠?qū)⑺杉瘮?shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸避免了現(xiàn)場布線等問題。

４、結(jié)論

本文提出的基于S3C2410和Linux2.6的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)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(yīng)用時只需根據(jù)所需采集對象的不同為其添加合適的前置傳感電路，應(yīng)用界面的實現(xiàn)亦可根據(jù)實際需求定制，十分方便。802.11無線網(wǎng)絡(luò)所具有的優(yōu)勢使得本便攜式終端的應(yīng)用前景十分廣泛。

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