基于ARM uCLinux的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　隨著網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)現(xiàn)已進(jìn)入高速發(fā)展階段。并在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文介紹了一種采用ARM+uCLinux作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)基于TCP／IP的遠(yuǎn)程系統(tǒng)監(jiān)控．從而取代傳統(tǒng)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理和通信功能；并依靠互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)向上位機(jī)傳送，同時(shí)支持遠(yuǎn)端客戶(hù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的具體方法。

　　1 系統(tǒng)平臺(tái)的構(gòu)建

　　本系統(tǒng)由嵌入式平臺(tái)服務(wù)器、前端控制器、前端傳感器、客戶(hù)端和配置PC 組成。開(kāi)發(fā)時(shí)可通過(guò)配置PC來(lái)下載系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)能夠收集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。并傳送到遠(yuǎn)端客戶(hù)機(jī)，之后由遠(yuǎn)端客戶(hù)機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，接著發(fā)送控制信號(hào)給系統(tǒng)服務(wù)器，以便通過(guò)前端控制器對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　1．1 硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

　　該系統(tǒng)的硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)可選擇SmartARM2200。該嵌入式設(shè)備的核心是ARM7TDMI的LPC2210．開(kāi)發(fā)板自身具有A／D轉(zhuǎn)換器和多個(gè)GPIO(通用I／O)口，可對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè)備、儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。使用時(shí)，只要將相應(yīng)的傳感器信號(hào)接入控制器的端口即可。其開(kāi)發(fā)板系統(tǒng)的硬件配置如圖2所示。

　　1．2 uCLinux操作系統(tǒng)

　　操作系統(tǒng)是嵌入式設(shè)備軟件的核心部分。本系統(tǒng)采用 uCLinux系統(tǒng)平臺(tái)來(lái)完成對(duì)硬件系統(tǒng)的管理和維護(hù)。uCLinux是廣泛應(yīng)用于微控制領(lǐng)域的一種嵌入式Linux操作系統(tǒng)。它通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核的裁減，可去除虛擬內(nèi)存管理部分代碼，以對(duì)內(nèi)存分配進(jìn)行優(yōu)化。從而達(dá)到提高系統(tǒng)運(yùn)行效率的目的。uCLinux則可經(jīng)過(guò)各方面的小型化改造形成一個(gè)高度優(yōu)化、代碼緊湊的嵌入式Linux，它保留了Linux的大多數(shù)優(yōu)點(diǎn)，包括穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、完備的文件系統(tǒng)支持、豐富的API等。

　　1．3 uCLinux在ARM平臺(tái)上的移植

　　若將uCLinux移植到SmartARM2200上，需要進(jìn)行以下四個(gè)步驟：

　　(1)下載源碼，建立交叉編譯環(huán)境

　　uCLinux是自由軟件(完全開(kāi)放代碼)。用戶(hù)可以直接從http：／／www．uclinux．org／pub／uclinux處下載源代碼并安裝到Red Hat9．0系統(tǒng)下，以便正常在Red Hat9．0建立起交叉編譯環(huán)境。

　　(2)配置和編譯內(nèi)核

　　進(jìn)入到安裝好的uCLinux目錄，依次執(zhí)行下面的命令：

　　make menuconfig；進(jìn)入配置菜單后，選擇Vendor／Product(廠商／產(chǎn)品)下的PHILIPS／lpc2200；用Kernel Version(內(nèi)核版本)選擇Linux-2．4．x，Libc Version(函數(shù)庫(kù)版本)選擇uClibc：其余內(nèi)核和應(yīng)用程序選項(xiàng)可根據(jù)情況選擇。

　　    make dep

　　    make clean

　　    make lib_only

　　    make user_only

　　    make romfs

　　    make image

　　    make

　　編譯結(jié)束后會(huì)在uCLinux安裝目錄下生成romfs．img文件，利用它可以制作RAM Disk，然后在linux-2．4．X目錄下生成elf格式的Linux內(nèi)核文件，并以下列方式將其轉(zhuǎn)換成bin格式：

　　    #arm-elf-objcopy-O binary linux linux．bin

　　從而生成下載用的uCLinux內(nèi)核鏡像文件linux．bin。

　　(3)制作Ram Disk掛栽根文件系統(tǒng)

　　首先創(chuàng)建一個(gè)512 kB的虛擬磁盤(pán)，并將虛擬磁盤(pán)文件格式轉(zhuǎn)化成ext2格式：

　　    dd if／dev／zero of="initrd"．img bs="1024" count="512"

　　    mkfs．ext2-c init．img

　　然后將init．img和romfs．img加載到主機(jī)文件系統(tǒng)上，并在RAM中建立需要的目錄：／bin，／dev，／etc，／var，進(jìn)而拷貝ROM中的文件到ram目錄中。

　　下來(lái)在RAM盤(pán)dev目錄下創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)：

　　    #mknod ram／dev／ttyS0 c 4 64

　　    #mknod ram／dev／console c 5 1

　　最后卸載init．img和romfs．img，并應(yīng)確保init．img修改已保存，至此，RAM DISK便創(chuàng)建完成。

　　(4)下載內(nèi)核和文件系統(tǒng)

　　正確設(shè)置主板啟動(dòng)選擇跳線(xiàn)。主板加電后，在超級(jí)終端上便可以看到BootLoader引導(dǎo)信息，可選擇默認(rèn)的FTP連接，并使用BootLoader默認(rèn)的 IP進(jìn)行下載，然后啟動(dòng)gftp，輸入主板默認(rèn)的IP和端口號(hào)。這樣，linux主機(jī)就可以和主機(jī)連接，最后選擇需要下載的Linux內(nèi)核文件和RAM盤(pán)及相關(guān)的配置文件即可。

　　2 監(jiān)控系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

　　監(jiān)控系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成：數(shù)據(jù)采集部分，設(shè)備控制部分，數(shù)據(jù)傳輸部分。數(shù)據(jù)采集部分可對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，同時(shí)提供調(diào)整運(yùn)行參數(shù)的接口。數(shù)據(jù)傳輸部分可將采集的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)端的主機(jī)，并接收遠(yuǎn)端主機(jī)的控制信息。遠(yuǎn)端主機(jī)則對(duì)傳輸過(guò)來(lái)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)和顯示，并可以修改數(shù)據(jù)采集部分的參數(shù)以控制數(shù)據(jù)采集，同時(shí)依據(jù)采集到的數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備發(fā)出操作指令，或?qū)h(yuǎn)端的設(shè)備進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

　　2．1 數(shù)據(jù)采集

　　使用A／D轉(zhuǎn)換設(shè)備前，首先要?jiǎng)?chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)，并加載ADC驅(qū)動(dòng)，然后通過(guò)open()和close()將其打開(kāi)和關(guān)閉．主要的數(shù)據(jù)采集程序如下：

　　    ……

　　    ioctl(fd，ADC_SET_CLKDIV，(Fpclk+fadc1)/fadc-1)；／／設(shè)置A／D轉(zhuǎn)換速度；

　　    ioctl(fd，ADC_SET_BITS，10)；／／設(shè)置A／D轉(zhuǎn)換精度；

　　    while(1) {

　　    ad_data=0；

　　    read(fd，&ad_data，sizeof(ad_data))；／／讀取A/D轉(zhuǎn)換的值；

　　    ……

　　2．2 GPIO設(shè)備控制

　　同A／D轉(zhuǎn)換設(shè)備類(lèi)似，使用GPIO也需先創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)并加載驅(qū)動(dòng)。對(duì)GPIO操作前，應(yīng)通過(guò)open()打開(kāi)，使用后應(yīng)通過(guò)close()關(guān)閉。

　　首先。選定開(kāi)發(fā)板上沒(méi)有使用過(guò)的GPIO端口，設(shè)定其輸入／輸入狀態(tài)，然后根據(jù)客戶(hù)端返回的信息對(duì)端口進(jìn)行操作，輸出0／1的電平，以使其外部連接的繼電器動(dòng)作。從而控制設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。程序主要通過(guò)函數(shù)ioctl來(lái)實(shí)現(xiàn)。ioctl是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中對(duì)設(shè)備的I／O通道進(jìn)行管理的函數(shù)，通過(guò)它可對(duì)設(shè)備的一些特性進(jìn)行控制．其函數(shù)原形為：

　　    int ioctl(int fd，ind cmd，…)；

　　其中，fd是用程序打開(kāi)設(shè)備時(shí)，使用open函數(shù)返回的文件標(biāo)示符；cmd是用戶(hù)程序?qū)υO(shè)備的控制命令；至于后面的省略號(hào)，則是一些補(bǔ)充參數(shù)(一般最多一個(gè)，有或沒(méi)有是和cmd的意義相關(guān)的)。在這里，可通過(guò)如下一組函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)：

　　    ioctl(fd1，GPIO_SET_PIN_IN，devicel)；

　　    ／／設(shè)置管角為輸出狀態(tài)；

　　    ioctl( fd2， GPIO_SET_PIN_OUT， devicel_state)；

　　    ／／設(shè)置管角為輸入狀態(tài)；

　　    ioctl(fd2,GPIO_READ_PIN,&devicel_state)；

　　    ／／讀取設(shè)備狀態(tài)管角；

　　    ioctl(fd1，GPIO_CLR_PIN,device)；

　　    ／／清除設(shè)備管角控制信號(hào)；

　　2．3 網(wǎng)絡(luò)通信程序

　　網(wǎng)絡(luò)通信程序可使用TCP／IP協(xié)議下標(biāo)準(zhǔn)的socket套接字編寫(xiě)。套接字(socket)是網(wǎng)絡(luò)通信的基本操作單元。它提供了不同主機(jī)間進(jìn)程雙向通信的端點(diǎn)。這些進(jìn)程在通信前應(yīng)各自建立一個(gè)socket，并通過(guò)對(duì) socket的讀／寫(xiě)操作實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能。常用的套接字有兩種：流式套接字(Stream Socket)和數(shù)據(jù)報(bào)套接字(Datagram Socket)。其中，流式套接字是可靠的面向連接的通信數(shù)據(jù)流，是無(wú)錯(cuò)誤的傳輸；而數(shù)據(jù)報(bào)套接字則使用UDP來(lái)傳送數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的順序是沒(méi)有保障的。本系統(tǒng)采用流式套接字進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

　　流式套接字的服務(wù)進(jìn)程和客戶(hù)進(jìn)程建立連接及通信的程序流程如圖3所示?，F(xiàn)具體說(shuō)明如下：

　　(1)服務(wù)進(jìn)程首先調(diào)用socket()創(chuàng)建一個(gè)流式套接字，并調(diào)用bind()將服務(wù)器地址捆扎在該套接字上，接著調(diào)用listen()監(jiān)聽(tīng)連接請(qǐng)求，隨后調(diào)用accept()做好與客戶(hù)進(jìn)程建立連接的準(zhǔn)備。無(wú)連接請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)進(jìn)程被阻塞；
 
　　(2)客戶(hù)進(jìn)程先調(diào)用socket()創(chuàng)建流式套接字，然后調(diào)用connect()向服務(wù)進(jìn)程發(fā)出連接請(qǐng)求；

　　(3)當(dāng)連接請(qǐng)求到來(lái)后，服務(wù)進(jìn)程被喚醒，并生成一個(gè)新的流式套接字。同時(shí)用新套接字同客戶(hù)進(jìn)程的套接字建立連接，而服務(wù)進(jìn)程最早生成的套接字則繼續(xù)用于監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)請(qǐng)求；

　　(4)服務(wù)進(jìn)程和客戶(hù)進(jìn)程通過(guò)調(diào)用send()和recv()來(lái)交換數(shù)據(jù)，服務(wù)器可向客戶(hù)端傳送所收集的數(shù)據(jù)?？蛻?hù)端則向服務(wù)器反饋控制信息和參數(shù)調(diào)整信息；

　　(5)服務(wù)進(jìn)程或客戶(hù)進(jìn)程可通過(guò)調(diào)用close()來(lái)撤消套接字并中斷連接。

　　服務(wù)器端的程序通過(guò)交叉編譯環(huán)境編譯后?？赏ㄟ^(guò)NFS(網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng))下載到開(kāi)發(fā)板中，然后手動(dòng)加入到rc引導(dǎo)文件中。即可實(shí)現(xiàn)開(kāi)機(jī)自動(dòng)運(yùn)行。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　基于ARM和CLinux嵌入式系統(tǒng)代表了目前嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展方向。嵌 入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)相結(jié)合．是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文討論了基于ARM+uCLinux平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。并對(duì)該平臺(tái)下應(yīng)用 TCP／IP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行了探討。該方法對(duì)于自動(dòng)化樓宇、工業(yè)控制、智能家居等方面都有一定的借鑒意義。