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(chǎng)控制、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、環(huán)境檢測(cè)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(jī)為核心的設(shè)計(jì)模式，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳輸以及實(shí)時(shí)分析都需要額外的PC的輔助來實(shí)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(dá)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(diǎn)，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(jìn)，能夠很好的實(shí)現(xiàn)電源管理，并提供對(duì)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(jì)

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(hào)，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(shí)間的方式圖表化實(shí)時(shí)顯示在LCD上，以供用戶實(shí)時(shí)分析比較。用戶使用觸摸屏與系統(tǒng)交互，可以選擇對(duì)所采集數(shù)據(jù)基于無線網(wǎng)絡(luò)傳輸或者存儲(chǔ)至U盤等存儲(chǔ)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(jì)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(huì)涉及底層硬件以及Linux系統(tǒng)。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

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(jí)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(yùn)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(chǔ)提供了足夠的空間。

擴(kuò)展板上主要是一些外設(shè)模塊及其相關(guān)的擴(kuò)展接口。S3C2410內(nèi)部集成的LCD控制器通過SVT5001控制板驅(qū)動(dòng)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(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，或者連接U盤進(jìn)行數(shù)據(jù)的復(fù)制存儲(chǔ)。我們還保留了JTAG接口以及串口以便調(diào)試。

2、系統(tǒng)實(shí)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(duì)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(dòng)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(jìn)了模塊接口的標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(gè)設(shè)備之間的通道，系統(tǒng)中注冊(cè)了一個(gè)名為platform_bus_type的總線。

2） device（設(shè)備）：Linux系統(tǒng)的每一個(gè)物理存在的設(shè)備都用device結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例來表示，其成員包括該設(shè)備所要注冊(cè)的總線以及所要使用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，arch/arm/mach-s3c2410/devs.c文件中，有著S3C2410平臺(tái)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(duì)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(dòng)時(shí)會(huì)將devs.c中所定義的相關(guān)platform_device設(shè)備注冊(cè)進(jìn)platform_bus_type總線。

3） device_driver（設(shè)備驅(qū)動(dòng)）：device_driver結(jié)構(gòu)是Linux內(nèi)核中各個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序所要實(shí)現(xiàn)的一個(gè)結(jié)構(gòu)。在驅(qū)動(dòng)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(dòng)向platform_bus_type總線的注冊(cè)。注冊(cè)過程會(huì)遍歷該總線上已經(jīng)注冊(cè)的設(shè)備，找到與該設(shè)備驅(qū)動(dòng)相匹配的接著調(diào)用該設(shè)備驅(qū)動(dòng)的probe函數(shù)完成諸如寄存器設(shè)置、中斷申請(qǐng)等在內(nèi)的硬件初始化工作并將該設(shè)備驅(qū)動(dòng)和匹配到的設(shè)備綁定。

對(duì)于嵌入式linux驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)和移植人員來說，設(shè)置各個(gè)設(shè)備的platform_data成員是一個(gè)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(shí)際配置信息，對(duì)devs.c文件中所定義的各設(shè)備結(jié)構(gòu)的platform_data成員進(jìn)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(gè)參數(shù)需要參照flash芯片手冊(cè)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(jìn)smdk2410_devices指針數(shù)組。采用類似的方法可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)核對(duì)LCD、觸摸屏以及USB HOST的支持。

YAFFS文件系統(tǒng)是針對(duì)NAND嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)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(duì)修改過后的內(nèi)核源碼進(jìn)行配置，選上對(duì)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)程序最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)字符設(shè)備，利用次設(shè)備號(hào)0-7來區(qū)分8個(gè)通道的模擬量輸入。為了該驅(qū)動(dòng)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(shí)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(dòng)啟動(dòng)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(dòng)AD采樣，每次開始都會(huì)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(shí)間間隔。

DS_ADC_GET_COUNT：獲取內(nèi)存環(huán)行緩沖區(qū)中已存儲(chǔ)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?cè)趦?nèi)核空間為每個(gè)通道維持一個(gè)環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在定時(shí)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(shí)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(shí)器timer2來產(chǎn)生0.1ms的定時(shí)間隔，并使用一個(gè)全局的32位無符號(hào)整型變量g_count來記錄該時(shí)間間隔數(shù)。我們使用Tasklet的方法來響應(yīng)timer2的定時(shí)器中斷，中斷處理函數(shù)只需要完成對(duì)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(jī)制來實(shí)現(xiàn)，Linux系統(tǒng)會(huì)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻完成這項(xiàng)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(jī)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(gè)流程跟單片機(jī)上使用SPI接口與AD通信一致，在此不再贅述。

3、應(yīng)用實(shí)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(chǎng)采用，用于大中學(xué)生實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)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(yùn)行十分穩(wěn)定，能夠?qū)⑺杉瘮?shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(chǎng)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(chǎng)合，例如醫(yī)療監(jiān)護(hù)、工業(yè)監(jiān)控，環(huán)境檢測(cè)，交通監(jiān)控等等。針對(duì)不同場(chǎng)合應(yīng)用時(shí)只需根據(jù)所需采集對(duì)象的不同為其添加合適的前置傳感電路，應(yīng)用界面的實(shí)現(xiàn)亦可根據(jù)實(shí)際需求定制，十分方便。802.11無線網(wǎng)絡(luò)所具有的優(yōu)勢(shì)使得本便攜式終端的應(yīng)用前景十分廣泛。

參考文獻(xiàn)

[1] Jonathan Corbet, Alessandro Rubini, Greg Kroah-Hartman, 魏永明等。Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序第三版[M].北京：中國電力出版社，2006.359-403.

[2] 周余，都思丹，王自強(qiáng)，高敦堂。應(yīng)用處理器PXA255上的嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2004年第3期：158-160.

[3] 劉偉，童敏。Linux 2.6內(nèi)核的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2006年第1期：73-75.

[4] Daniel P Bovet, Marco Cesati. Understanding the Linux Kernel 3nd Edition[M].America:O’Reilly Associates,2005.

[5] 劉淼。 嵌入式系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)與Linux驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[6] 孫天澤，袁文菊，張海峰。嵌入式設(shè)計(jì)及Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)指南[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

更多醫(yī)療電子信息請(qǐng)關(guān)注：21ic醫(yī)療電子頻道