基于嵌入式Linux的接口轉(zhuǎn)換卡設(shè)計(jì)

接口總線為一群互相連接的設(shè)備提供一種有效的通信方式，它是自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展的標(biāo)志,可以說(shuō)接口總線技術(shù)發(fā)展的歷史就是自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展史,接口總線技術(shù)發(fā)展的水平標(biāo)志著自動(dòng)測(cè)試發(fā)展的水平。本文提出的接口轉(zhuǎn)換方案解決了包括USB總線、GPIB總線、網(wǎng)絡(luò)等幾種通用標(biāo)準(zhǔn)接口之間的相互轉(zhuǎn)換。本方案以嵌入式Linux操作系統(tǒng)和ARM處理器為軟硬件平臺(tái)，在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用中取得了良好的應(yīng)用效果。

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件平臺(tái)基于ARM920T的處理器AT91RM9200，該處理器不僅有豐富的片上資源和標(biāo)準(zhǔn)接口，而且有低功耗、低成本、高性能、支持多種主要的嵌入式操作系統(tǒng)等特點(diǎn)，其采用5級(jí)整數(shù)流水線結(jié)構(gòu)，性能高達(dá)200MIPS，具有標(biāo)準(zhǔn)的ARMv4存儲(chǔ)器管理單元（MMU），內(nèi)部集成兩個(gè)USB2.0全速（12Mb/s）主機(jī)端口、一個(gè)USB2.0全速（12Mb/s）器件端口和10/100 Base-T型以太網(wǎng)接口。該芯片具有多種工作模式，其低功耗待機(jī)模式下電流僅3.1mA。

此方案的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，主要包括AT91RM9200處理器、GPIB模塊、JTAG接口、網(wǎng)絡(luò)模塊、32M SDRAM、16M FLASH、串口、USB主從口等部分。其中GPIB模塊通過(guò)CPLD器件EPM1270邏輯控制GPIB接口芯片NAT9914實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)模塊通過(guò)外接DM9161實(shí)現(xiàn)10/100M自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)連接。另外，處理器內(nèi)置的雙主機(jī)收發(fā)器可連接USB設(shè)備。

圖1  硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Linux系統(tǒng)的移植

Linux操作系統(tǒng)是可以運(yùn)行在不同類型計(jì)算機(jī)上的一種操作系統(tǒng)的“內(nèi)核”，它提供命令行或者程序與計(jì)算機(jī)硬件之間接口的軟件核心部分。嵌入式Linux系統(tǒng)從軟件角度分為4個(gè)層次，分別為引導(dǎo)加載程序（Boot Loader）、內(nèi)核、文件系統(tǒng)和用戶程序。

Boot Loader 就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序。通過(guò)這段小程序，可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。

本方案中Linux內(nèi)核采用Linux2.6.16版的kernel。因?yàn)楸痉桨感枰L問(wèn)U盤(pán)，所以內(nèi)核中必須加上支持U盤(pán)的模塊，包括SCSI support、SCSI disk support、USB mass storage support、VFAT（windows95）support、MSDOS partition tables等。USB器件端口與USB主機(jī)通信，可以有三種方式：一些功能最完備結(jié)構(gòu)也最復(fù)雜的設(shè)備，采用用戶定制的內(nèi)核模塊實(shí)現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)USB總線上運(yùn)行復(fù)雜的高級(jí)協(xié)議，由USB主機(jī)上相應(yīng)的用戶驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序來(lái)完成連接；另一些基于Linux系統(tǒng)的USB設(shè)備則利用USB總線來(lái)實(shí)現(xiàn)該設(shè)備與主機(jī)之間的簡(jiǎn)單點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行連接，主機(jī)上的應(yīng)用程序?qū)嶋H上是利用了主操作系統(tǒng)所提供的USB編程接口，但實(shí)現(xiàn)的是串行通信協(xié)議；最后一種是設(shè)備將主計(jì)算機(jī)作為網(wǎng)關(guān)，將USB設(shè)備連接到辦公局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)上，從而USB設(shè)備構(gòu)成了一個(gè)模擬以太網(wǎng)接口。本方案采用最后一種方式，配置了內(nèi)核中的USB RNDIS gadget模塊，該模塊利用USB接口作為物理媒介，模擬出一個(gè)虛構(gòu)的以太網(wǎng)設(shè)備。

文件系統(tǒng)是用戶模式進(jìn)程與內(nèi)核模式進(jìn)程交互的紐帶，制作具有特定的功能的文件系統(tǒng)是移植嵌入式系統(tǒng)不可缺少的部分。本方案利用Busybox軟件工具包構(gòu)造EXT2文件系統(tǒng)，此軟件包集成了Linux常用命令，可根據(jù)需求裁減，極大的方便了嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

應(yīng)用程序的具體實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)在多個(gè)接口之間的轉(zhuǎn)換主要是在用戶態(tài)的應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)。此應(yīng)用程序主要完成的功能是兩個(gè)USB主口（一個(gè)接USB儀器，一個(gè)接U盤(pán)）、一個(gè)USB從口、GPIB口和網(wǎng)口之間的數(shù)據(jù)交換。程序自動(dòng)檢測(cè)接口是否處于連接狀態(tài)：如果是，便監(jiān)聽(tīng)是否有數(shù)據(jù)需要傳送，并將監(jiān)聽(tīng)到的數(shù)據(jù)傳給其他處于連接狀態(tài)的接口。整個(gè)應(yīng)用程序的框架如圖2所示。

圖2  應(yīng)用程序整體框架


各個(gè)子進(jìn)程的功能如下：

子進(jìn)程1：USB從口的實(shí)現(xiàn)主要依靠?jī)?nèi)核中的USB RNDIS gadget模塊的支持，當(dāng)USB從口連接至PC時(shí)，在PC上模擬以太網(wǎng)接口，用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)；

子進(jìn)程2：USB主口1專用于USB設(shè)備的USB端口；

子進(jìn)程3：USB主口2專用于U盤(pán)，將U盤(pán)實(shí)際連接，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳給U盤(pán)時(shí)，便在Linux操作系統(tǒng)上掛載U盤(pán)，并以二進(jìn)制方式將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到U盤(pán)的linux.txt文件中，15s內(nèi)沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸就會(huì)卸載U盤(pán)；

子進(jìn)程4：網(wǎng)口是以TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。子進(jìn)程1和子進(jìn)程4分別實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器功能；

子進(jìn)程5：在Linux操作系統(tǒng)中為GPIB口準(zhǔn)備一個(gè)中斷例程，當(dāng)GPIB口有動(dòng)作時(shí)，會(huì)首先產(chǎn)生一個(gè)中斷，應(yīng)用程序立即跳轉(zhuǎn)中斷處理執(zhí)行程序相關(guān)操作。

由于接口總線協(xié)議的解析都在Linux驅(qū)動(dòng)中完成，所以子進(jìn)程間的數(shù)據(jù)傳輸直接代表了接口總線的通信。子進(jìn)程創(chuàng)建了自己專用的管道FIFO，以完成進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交換。

每個(gè)子進(jìn)程都有一個(gè)主線程，完成端口的連接狀態(tài)檢測(cè)，主線程的流程圖如圖3所示。端口輸出數(shù)據(jù)的處理主要由線程readfifo完成，它讀取該進(jìn)程的專用管道FIFO的數(shù)據(jù)，如果從FIFO中讀到了數(shù)據(jù)，并且該端口連接標(biāo)志位flag為1（表示該端口處于連接狀態(tài)），便將此數(shù)據(jù)填入該端口的輸出緩沖區(qū)，否則將讀到的數(shù)據(jù)舍去。端口輸入數(shù)據(jù)的處理由另一個(gè)線程完成，如果該端口處于連接狀態(tài)，主線程就會(huì)創(chuàng)建該子線程實(shí)時(shí)讀取該端口的輸入數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)專用管道傳給其他進(jìn)程。

圖3  主線流程圖


在整個(gè)應(yīng)用程序中，各個(gè)端口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)利用了Linux進(jìn)程間的數(shù)據(jù)通信技術(shù)。每個(gè)端口都設(shè)置了一定大小的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，使數(shù)據(jù)能夠連續(xù)發(fā)送而不受外圍控制器速度的影響，接收數(shù)據(jù)可靠，并盡可能減少了錯(cuò)誤接收和錯(cuò)誤判斷的可能性。

結(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于AT91RM9200平臺(tái)和嵌入式Linux的一種接口轉(zhuǎn)換卡的軟硬件設(shè)計(jì)，它實(shí)現(xiàn)了USB、GPIB和網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信。此轉(zhuǎn)換卡具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，如PC通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制USB設(shè)備或GPIB主機(jī)控制USB設(shè)備等等。目前本方案已成功應(yīng)用于示波器的接口擴(kuò)展，事實(shí)證明該方案能夠?yàn)榻M建接口總線繁多的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)提供幫助，取得了良好的效果。

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