基于Linux／Qtopia的車載溫度網(wǎng)絡(luò)采集

引 言
    本文在嵌入式Linux平臺上實現(xiàn)了車載信息采集系統(tǒng)的一部分——汽車常規(guī)溫度的數(shù)據(jù)采集，如采集車內(nèi)溫度、曖風(fēng)或空調(diào)溫度、車外溫度、水箱溫度等。DSl8820是一種可組網(wǎng)單總線數(shù)字溫度傳感器，為信息采集提供了經(jīng)濟有效的可行方案。嵌入式Linux以其源碼開放、容易定制和擴展、多硬件平臺支持和內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)功能等優(yōu)良性能，逐漸成為車載設(shè)備廣泛使用的系統(tǒng)平臺。本文涉及的系統(tǒng)使用三星公司的S3C2410AL一20處理器，操作系統(tǒng)采用2．6．8．1內(nèi)核Linux，GUI采用Trolltech公司的Qtopia；功能上主要實現(xiàn)：各路溫度的采集顯示、音頻報警、溫度數(shù)據(jù)的存儲、相關(guān)功能設(shè)置等。當(dāng)需要語音提示或報警時，應(yīng)用程序調(diào)用語音模塊；當(dāng)需要存儲或顯示歷史數(shù)據(jù)時，應(yīng)用程序調(diào)用SD存儲模塊。

1 Linux系統(tǒng)開發(fā)概述
    驅(qū)動程序的開發(fā)是嵌入式Linux開發(fā)的主要任務(wù)之一。設(shè)備驅(qū)動為上層應(yīng)用程序提供控制硬件的設(shè)備接口，同時直接與Linux內(nèi)核打交道。圖1描述了Linux系統(tǒng)開發(fā)框架。

    應(yīng)用程序開發(fā)是嵌入式Linux開發(fā)的另一個主要任務(wù)。Qt／Embedded是著名Qt庫開發(fā)商Trolltech公司開發(fā)的面向嵌入式系統(tǒng)的Qt版本。Qtopia是在Qt／Em—bedded庫的基礎(chǔ)上，專門針對PDA、Smart—Phone這類運行嵌入式Linux的移動設(shè)備和手持設(shè)備所開發(fā)的開放源碼的一套應(yīng)用程序包和開發(fā)庫。它包括全套的個人信息管理PIM(Personal Information Management)，如地址本、日程安排、MPEG播放、圖像顯示、瀏覽器等。

2 車載信息系統(tǒng)及硬件平臺概述
    車載信息采集系統(tǒng)開發(fā)主要包括用戶界面開發(fā)，內(nèi)核開發(fā)，音頻模塊設(shè)計，串口模塊設(shè)計，CAN總線模塊設(shè)計，車輛狀態(tài)(又包含開關(guān)量、模擬量、數(shù)字量等)檢測模塊設(shè)計等。
    本設(shè)計著重實現(xiàn)一線制溫度網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集。一線制溫度網(wǎng)絡(luò)的溫度信號特點是：數(shù)值不高，多在0～100℃范圍內(nèi)；溫度信號變化較慢；系統(tǒng)對采集到的溫度信號的實時性要求不高；精度要求不高。
    一線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點在于能測量大量的物理量，所有的通信都通過一線協(xié)議，而與被測的具體量無關(guān)。一線網(wǎng)絡(luò)是能夠方便地搭建起由一線傳感器芯片組成的一系列測量環(huán)境參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)。
    DSl8B20是一種可組網(wǎng)的單總線數(shù)字溫度傳感器，具有以下功能特點：
    ①適應(yīng)寬的電壓范圍(3．O～5．5 V)，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。
    ②獨特的單線接口方式，DSl8820在與微處理器連接時僅需要1條口線即可實現(xiàn)微處理器與DSl8820的雙向通信。
    ③溫度范圍為一55～+125℃，在一10～+85℃時精度為±0．5℃。
    ④可編程的分辨率為9～12位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0．5℃、O．25℃、O．125℃和0．062 5℃，可實現(xiàn)較高的精度測溫。
    單總線使得硬件開銷極小，但需要相對復(fù)雜的軟件進行補償。由于DSl8B20采用單總線串行數(shù)據(jù)傳送，保證嚴格的讀寫時序成為測溫關(guān)鍵，因此沒有采用I／0驅(qū)動，而是單獨編寫一線制溫度網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動。
    本設(shè)計采用寄生電源連接方式，12位分辨率。寄生電源的優(yōu)點為：遠程溫度檢測無需本地電源；缺少正常電源條件下也可以讀ROM。為確保DSl8820在其有效變換期內(nèi)得到足夠的電源電流，在I／O線上通過MOSFET提供強的上拉(如圖2所示)。當(dāng)使用寄生電源方式時，VDD引腳必須連接到地。
    系統(tǒng)核心控制器S3C2410X是三星公司基于ARM920T核的芯片。S3C2410X集成了1個LCD控制器(支持STN和TFT帶有觸摸屏的液晶顯示屏)、SDRAM、觸摸屏、USB、SPI、SD和MMC等控制器，4個具有PWM功能的計時器和1個內(nèi)部時鐘，8通道的10位ADC，117位通用I／O口和24位外部中斷源，8通道10位AD控制器，處理器工作頻率最高達到203 MHz。系統(tǒng)顯示采用SHARP 3．5 in的TFT_LCD液晶顯示屏。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

3 驅(qū)動實現(xiàn)
    本節(jié)將實現(xiàn)一線制溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動模塊。驅(qū)動從總體上看分為兩部分：驅(qū)動與內(nèi)核接口層、硬件設(shè)備接口層。
3．1 驅(qū)動與內(nèi)核接口層
    驅(qū)動與內(nèi)核接口層主要完成驅(qū)動模塊在Linux內(nèi)核的注冊加載、卸載清除工作。這部分工作分別由初始化和退出函數(shù)完成。

    ①初始化函數(shù)完成驅(qū)動模塊加載：

   
3．2 硬件設(shè)備接口層
    硬件設(shè)備接口層用來描述驅(qū)動程序與設(shè)備的交互。這些工作通過虛擬文件系統(tǒng)與設(shè)備驅(qū)動程序的接口實現(xiàn)。這個接口由file_operation結(jié)構(gòu)定義，其結(jié)構(gòu)如下：

3．2．2 讀接口函數(shù)
    用戶程序執(zhí)行讀操作的時候可能沒有可以讀取的數(shù)據(jù)，此時需要讓read操作等待直到有數(shù)據(jù)可以讀取。在此采用等待隊列使進程在無數(shù)據(jù)讀取時進入等待，數(shù)據(jù)到達時喚醒。等待隊列設(shè)置成一個循環(huán)緩沖區(qū)，每放入一個新數(shù)據(jù)作為緩沖區(qū)的頭，存放時間最久還未被取走的數(shù)據(jù)為緩沖區(qū)的尾。

  
3．2．3 fasync異步通知函數(shù)
    異步通知函數(shù)向進程發(fā)送SIGIO信號，通知訪問設(shè)備的進程，表示設(shè)備已經(jīng)準備好I／O讀寫了，避免主動查詢，提高程序效率。使用異步通知需增加一個struct

3．2．4 poll系統(tǒng)調(diào)用操作接口函數(shù)
    當(dāng)程序需要進行對多個文件讀寫時，如果某個文件沒有準備好，則系統(tǒng)就會處于讀寫阻塞的狀態(tài)，影響其他文件的讀寫。為了避免讀寫阻塞，使用poll函數(shù)。如果設(shè)備無阻塞地讀，就返回POLLIN；通常的數(shù)據(jù)已經(jīng)準備好，可以讀了，就返回POLLRDNORM。

    寫接口函數(shù)用來通知驅(qū)動。例如通知驅(qū)動讀取通道2的數(shù)據(jù)，在應(yīng)用程序中執(zhí)行寫接口函數(shù)write(fileno，&SLOT2，1)，驅(qū)動設(shè)置當(dāng)前讀通道號為2。
    至此完成驅(qū)動接口函數(shù)。此驅(qū)動屬于字符設(shè)備驅(qū)動，將源程序放在driver／ehar目錄下。同時需要修改該目錄下的Kconfig配置文件并添加Config 18820_S3C2410選項，修改driver／char／Makefile，添加obj一$(CC)NFIG_18B20 S3C2410)+=S3C2410_18820．O。最后重新配置內(nèi)核，將驅(qū)動以模塊形式添加到內(nèi)核，這樣就可以編譯驅(qū)動了。

4 Qtopia應(yīng)用程序設(shè)計
    (1)創(chuàng)建工程
    首先利用QT Designer設(shè)計器創(chuàng)建一個窗體應(yīng)用程序ThermometerFigure．ui。窗體程序創(chuàng)建好后根據(jù)需要添加窗體控件、槽函數(shù)、信號等。圖3為ThermometerFigure類的實現(xiàn)框圖。

    (2)ThermometerFigure類實現(xiàn)
    利用uic工具產(chǎn)生相應(yīng)的*．cpp和*．h文件(窗體類的實現(xiàn)文件和頭文件)。編輯*．cpp和*．h文件實現(xiàn)各成員函數(shù)、信號槽的連接。具體實現(xiàn)如圖3所示。
    (3)創(chuàng)建main及初始化
    首先創(chuàng)建main．cpp文件，并在main．cpp中創(chuàng)建QApplication對象。QApplication類負責(zé)圖像用戶界面應(yīng)用程序的控制流和主設(shè)置，對所有來自系統(tǒng)和其他源文件的事件進行處理和調(diào)度；還包括應(yīng)用程序的初始化和結(jié)束。

    執(zhí)行qmake命令生成Makefile文件，執(zhí)行之前要設(shè)置相關(guān)的環(huán)境變量，編譯器路徑等。
    qmake一o Makefile Thermometer.pro
    (5)編譯鏈接工程
    執(zhí)行make命令，將生成目標二進制文件Thermometer，此文件即可在設(shè)備上運行。

    (6)將可執(zhí)行文件發(fā)布到Linux系統(tǒng)
    將可執(zhí)行文件添加到Qtopia的根文件系統(tǒng)中，將生成的新的根文件系統(tǒng)燒寫到設(shè)備的Flash根文件系統(tǒng)區(qū)，這樣就可以在桌面運行程序了。圖4為ThermometerFigure類實現(xiàn)界面。

結(jié) 語
    本文介紹了車載信息系統(tǒng)開發(fā)的部分實現(xiàn)方法。通過實例講述了Linux的開發(fā)過程，包括驅(qū)動開發(fā)和應(yīng)用程序開發(fā)流程。創(chuàng)新點在于將一線制傳感器網(wǎng)絡(luò)引入車載信息采集系統(tǒng)，大大簡化了線路結(jié)構(gòu)，有很高的實用價值。