一線制傳感器在基于Linux平臺車載信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

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、暖風(fēng)或空調(diào)溫度、車外溫度、水箱溫度等。DS18B20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S3C2410AL20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。

圖1 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/ Embedded 庫的基礎(chǔ)上,專門針對PDA、SmartPhone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)。

DS18B20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（3.0～5.5 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，DS18B20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DS18B20的雙向通信。
③ 溫度范圍為－55～+125 ℃，在-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 ℃、0.25 ℃、0.125 ℃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DS18B20采用單總線串行數(shù)據(jù)傳送，保證嚴(yán)格的讀寫時序成為測溫關(guān)鍵,因此沒有采用I/O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DS18B20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。

圖2 信息采集系統(tǒng)及部分電路連接原理

　　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：
static int __init DS18B20_init(void){
……
register_chrdev(DS18B20_MAJOR,DEVICE_NAME, DS18B20_fops);//完成設(shè)備注冊
#ifdefCONFIG_DEVFS_FS//創(chuàng)建設(shè)備文件系統(tǒng)
devfs_mk_cdev(MKDEV(DS18B20_MAJOR,0),S_IFCHR | S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP,DEVICE_NAME);
#endif
……
}

② 退出函數(shù)完成驅(qū)動模塊卸載：
static void __exit DS18B20_exit(void) {
#ifdef CONFIG_DEVFS_FS
devfs_remove(DEVICE_NAME);//移除設(shè)備文件
#endif
unregister_chrdev(DS18B20_MAJOR,DEVICE_NAME); //完成設(shè)備注銷
……
}

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：

static struct file_operations DS18B20_fops ={
.owner=THIS_MODULE, //指向擁有該結(jié)構(gòu)的模塊，內(nèi)核使用該結(jié)構(gòu)維護模塊使用計數(shù)
.open=DS18B20_open, //打開設(shè)備函數(shù)
.read=DS18B20_read, //讀接口函數(shù)
.write=DS18B20_write,//寫接口函數(shù)
.fasync=DS18B20_fasync, //異步通知函數(shù)
.poll=DS18B20_poll,//poll函數(shù)
.release=DS18B20_release, //釋放設(shè)備函數(shù)
};

3.2.1 打開設(shè)備函數(shù)

打開設(shè)備函數(shù)主要完成設(shè)備的初始化。
DS18B20_open(struct inode *inode,struct file *filp) {
Initial_Timer( );//初始化定時器，使內(nèi)核模塊按一定周期讀溫度
Initial_Device_DS18B20();//初始化硬件
readtemperature();//開始讀取……
}

void readtemperature(void) {
……Temperature=DS18B20read();//讀取2個8位數(shù)據(jù)，此函數(shù)完成的硬件操作時序，由當(dāng)前讀通道號變量指定當(dāng)前通道
DS_SLOT_NO();//將本次讀通道號放入緩沖區(qū)
DS18B20Event();//數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)，喚醒等待隊列并啟動異步通知
if(ReleaseFlag)
CycleTimer_Delay_Soft(hdelay);//如果沒有讀停止信號，通過內(nèi)核定時器延時，進行下一次讀，在中斷服務(wù)程序中再次啟動讀
……
}

在使用內(nèi)核定時器之前需定義一個定時器結(jié)構(gòu)體 static struct timer_list CycleTimer。下面是定時器的具體操作：
static void Initial_Timer(void) {
init_timer(CycleTimer); );//初始化定時器結(jié)構(gòu)
CycleTimer.function=DS18B20_timer; //掛接定時中斷服務(wù)程序
}

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。

DS18B20_read( ) {
DECLARE_WAITQUEUE(wait,current);//聲明等待隊列……
Next_try:
if(DS18B20dev.head != DS18B20dev.tail) {//等待隊列不為空，即有數(shù)據(jù)
DS18B20_ret=Read_Buffer_DS18B20(); //取走緩沖區(qū)的尾
copy_to_user( ); //讀取的數(shù)據(jù)送到用戶空間
}
else { ……//等待隊列為空，即沒有數(shù)據(jù)
add_wait_queue(queue,wait);
current>state=TASK_INTERRUPTIBLE;//添加等待隊列，聲明狀態(tài)為任務(wù)可中斷
while((DS18B20dev.head==DS18B20dev.tail)!signal_pending(current) {//進入等待
schedule();
current>state=TASK_INTERRUPTIBLE;
}//如果緩沖區(qū)為空,Linux內(nèi)核調(diào)度,等待通知
current>state = TASK_RUNNING;//得到有數(shù)據(jù)的通知，聲明任務(wù)狀態(tài)為運行
remove_wait_queue(queue,wait);//刪除等待隊列
goto Next_try;//返回到讀取數(shù)據(jù)
}
}

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(zhǔn)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 fasync_struct的結(jié)構(gòu)指針，然后實現(xiàn)fasync接口函數(shù)。

static struct fasync_struct *fasync;//定義一個結(jié)構(gòu)體
static int DS18B20_fasync(int fd,struct file *filp,int on) {//實現(xiàn)接口函數(shù)
retval = fasync_helper(fd,filp,on,fasync);
if ( retval0) return retval;return 0;
}

最后在需要向用戶空間通知的地方調(diào)用內(nèi)核的kill_fasync函數(shù)。在打開設(shè)備函數(shù)中提到的DS18B20Event()功能是：將數(shù)據(jù)放入循環(huán)緩沖區(qū)，喚醒等待隊列并啟動異步通知，其后兩項功能是這樣實現(xiàn)的：

wake_up_interruptible(queue);//喚醒等待隊列
if (fasync) {
kill_fasync(fasync,SIGIO,POLL_IN);//發(fā)送異步通知信號
}

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(zhǔn)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(zhǔn)備好，可以讀了，就返回POLLRDNORM。

static unsigned int DS18B20_poll(struct file *flip, poll_table *wait) {
poll_wait(flip,queue,wait);
if(DS18B20dev.head != DS18B20dev.tail) {
return POLLIN|POLLRDNORM;
}
return 0;
}

3.2.5 release釋放設(shè)備函數(shù)

static intDS18B20_release(struct inode *inode,struct file *filp) {
ReleaseFlag=0//內(nèi)核停止讀取溫度標(biāo)志
DS18B20_fasync(1,filp,0);//關(guān)閉異步通知
module_put(THIS_MODULE);//設(shè)備計數(shù)器減1
return 0;
}

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/char 目錄下。同時需要修改該目錄下的Kconfig配置文件并添加 Config 18B20_S3C2410選項，修改driver/char/Makefile，添加obj$(CONFIG_18B20_S3C2410) +=S3C2410_18B20.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。

int main( int argc, char **argv ) {
QApplication app(argc,argv);
ThemometerFigure wyc;//創(chuàng)建對象
app.setMainWidget( wyc );//選為主窗體
wyc.show(); return app.exec();
}

（4） 編輯*.pro文件并生成Makefile

利用progen工具創(chuàng)建Thermometer.pro，具體實現(xiàn)如下：
TEMPLATE=app
CONFIG=qt warn_on release
HEADERS=ThermometerFigure.h
SOURCES=ThermometerFigure.cpp \ main.cpp
INTERFACES=
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。
qmakeo Makefile Thermometer.pro

（5） 編譯鏈接工程

執(zhí)行make命令，將生成目標(biāo)二進制文件Thermometer，此文件即可在設(shè)備上運行。

圖3 ThermometerFigure類的實現(xiàn)框圖

圖4 ThermometerFigure類實現(xiàn)界面

（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。