基于嵌入式Linux的便攜式RFID信息采集與處理系統(tǒng)

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性等性能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)將軟件分為兩層結(jié)構(gòu)，如圖5所示。最下面一層為操作系統(tǒng)層，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)Linux操作系統(tǒng)的移植和各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫，包括OLED模塊、USB Device、紅外、鍵盤等設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。上一層為應(yīng)用程序?qū)樱饕獙?shí)現(xiàn)卡信息顯示、鍵盤掃描、電子標(biāo)簽卡讀寫、文件傳輸、時(shí)鐘以及電池電量檢測(cè)等功能。

　　2.1 嵌入式Linux

　　Linux是一種公開(kāi)源碼的多任務(wù)操作系統(tǒng)，具有開(kāi)放度高、安全性好、穩(wěn)定性強(qiáng)、可移植性好等特點(diǎn)，在嵌入式操作系統(tǒng)中被大量采用。

　　本設(shè)計(jì)采用的Linux內(nèi)核是在ARM-Linux的基礎(chǔ)上，編寫了OLED顯示模塊、USB 設(shè)備、紅外收發(fā)器及鍵盤的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。在Linux系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序占有很重要的位置，它提供了在用戶空間操作硬件設(shè)備的接口。Linux系統(tǒng)將設(shè)備分為字符設(shè)備、塊設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備三種，并給出針對(duì)不同設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及注冊(cè)函數(shù)。當(dāng)用戶開(kāi)發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，只需按硬件操作的方法填充設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并將它注冊(cè)到內(nèi)核中即可。

　　為了方便用戶應(yīng)用程序的編寫，把USB設(shè)備實(shí)現(xiàn)為CDC（Communication Device Class）類設(shè)備，其驅(qū)動(dòng)程序分為兩層，最底層操作AT91RM9200上的USB設(shè)備控制器，如處理硬件中斷、讀寫寄存器及操作I/O口來(lái)檢測(cè)設(shè)備的插拔；上層實(shí)現(xiàn)了底層與TCP/IP協(xié)議層的連接，主要是模擬物理網(wǎng)卡，并注冊(cè)到內(nèi)核。這樣，在應(yīng)用程序的USB設(shè)備就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，用戶不需要了解驅(qū)動(dòng)程序的接口，而直接使用Linux提供的套接字進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信程序的開(kāi)發(fā)。當(dāng)用戶進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)時(shí)，可以不加修改地將上位機(jī)開(kāi)發(fā)好的網(wǎng)絡(luò)通信程序直接移植到本系統(tǒng)中，而且可以通過(guò)上位機(jī)的Telnet等工具對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行一定的操作。

　　其他驅(qū)動(dòng)程序(如OLED顯示模塊、鍵盤、紅外收發(fā)器)都作為L(zhǎng)inux下的標(biāo)準(zhǔn)字符設(shè)備編寫，使用register_chrdev( )函數(shù)進(jìn)行注冊(cè)，提供了讀、寫和控制操作。在Linux系統(tǒng)中，應(yīng)用程序?qū)ψ址O(shè)備的操作與文件的操作相同。

　　Linux中設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以通過(guò)模塊方式動(dòng)態(tài)地加載和卸載，也可以直接編譯到內(nèi)核中。前者使用靈活，可以減小內(nèi)核，但因嵌入式系統(tǒng)要求所有設(shè)備在初始化后全部就緒，不能在使用時(shí)加載設(shè)備的驅(qū)動(dòng)模塊。所以，本系統(tǒng)中所有的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都直接編譯進(jìn)內(nèi)核。

　　每個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在用戶空間對(duì)應(yīng)一個(gè)設(shè)備文件，由文件系統(tǒng)管理。本系統(tǒng)使用ext2作為根文件系統(tǒng)。為了開(kāi)發(fā)和升級(jí)方便，首先將根文件系統(tǒng)做成RAMDISK格式，所謂RAMDISK就是系統(tǒng)啟動(dòng)后將壓縮的文件解壓到內(nèi)存，形成一個(gè)虛擬硬盤；然后，將引導(dǎo)程序、內(nèi)核映像及根文件系統(tǒng)燒寫到Flash中。

　　系統(tǒng)加電后，引導(dǎo)程序?qū)?nèi)核映像從Flash中調(diào)入內(nèi)存，然后從核入口開(kāi)始執(zhí)行：首先初始化CPU，然后加載各個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，最后掛載文件系統(tǒng)，執(zhí)行應(yīng)用程序。

　　2.2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

　　Linux是多任務(wù)系統(tǒng)，支持多線程及多進(jìn)程。多線程的優(yōu)點(diǎn)是線程比進(jìn)程小，可以使應(yīng)用更輕便，線程間通信方便；缺點(diǎn)是所有線程使用同一個(gè)地址空間，如果一個(gè)線程出現(xiàn)問(wèn)題，整個(gè)系統(tǒng)將受影響；而進(jìn)程各自占有一份內(nèi)存空間，可以增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是多進(jìn)程增加了系統(tǒng)開(kāi)銷，進(jìn)程間通信復(fù)雜。為此，根據(jù)實(shí)際情況，考慮到系統(tǒng)穩(wěn)定性，本系統(tǒng)采取兩者相結(jié)合的方式分別完成數(shù)據(jù)采集處理及文件傳輸功能。

　　2.2.1 數(shù)據(jù)采集處理
　　數(shù)據(jù)采集處理是一個(gè)進(jìn)程，它包括主線程和輔線程。主線程完成電子標(biāo)簽卡信息的讀取、寫入、實(shí)時(shí)顯示及查詢；輔線程實(shí)現(xiàn)一個(gè)時(shí)鐘以提供用戶當(dāng)前時(shí)間，并定時(shí)對(duì)電池的電量進(jìn)行檢測(cè)和動(dòng)態(tài)顯示，在電量過(guò)低時(shí)發(fā)出警告。

　　應(yīng)用程序用MAIL命令方式完成電子標(biāo)簽卡的讀寫。該進(jìn)程首先初始化屏幕，然后等待按鍵中斷，當(dāng)有鍵按下時(shí)，根據(jù)鍵值執(zhí)行相應(yīng)的工作；當(dāng)指定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有鍵按下，系統(tǒng)則進(jìn)入休眠狀態(tài)，從而達(dá)到省電的目的。程序流程圖如圖6。

　　當(dāng)成功采集到標(biāo)簽卡信息后，應(yīng)用程序?qū)⒖ㄐ畔?包括卡號(hào)、卡狀態(tài)、用戶數(shù)據(jù)及當(dāng)前時(shí)間)通過(guò)OLED顯示屏提供給用戶，并寫入一個(gè)文件進(jìn)行記錄。由于文件傳輸進(jìn)程會(huì)將該文件傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，所以當(dāng)讀寫文件時(shí)要將文件上鎖。Linux提供了文件鎖以防止不同進(jìn)程同時(shí)訪問(wèn)同一個(gè)文件。本文使用flock（）函數(shù)對(duì)文件上鎖和解鎖。

　　由于OLED是圖形點(diǎn)陣式顯示屏，而且Flash容量有限，所以不可能直接使用漢字字庫(kù)。系統(tǒng)預(yù)先提取所有用到的漢字、數(shù)字及字母的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，然后建立自己的字庫(kù)文件，從而使應(yīng)用程序可以對(duì)漢字、數(shù)字及字母進(jìn)行顯示。

　　2.2.2 文件傳輸
　　文件傳輸是一個(gè)進(jìn)程，完成卡信息的上傳及其他數(shù)據(jù)的下載。與上位機(jī)通信采用Clinet/Server模型。該進(jìn)程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)服務(wù)器端（本系統(tǒng)）的應(yīng)用程序，它循環(huán)等待客戶端（上位機(jī)）的連接請(qǐng)求。當(dāng)請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，首先判斷請(qǐng)求來(lái)自哪個(gè)接口(USB或者紅外接口)，然后根據(jù)請(qǐng)求的類型執(zhí)行相應(yīng)的上傳或下載?？紤]到實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)使用多臺(tái)手持式閱讀器，為了方便上位機(jī)對(duì)信息的管理，規(guī)定文件名由手持式閱讀器編號(hào)和文件上傳序號(hào)組成，程序在上傳文件時(shí)自動(dòng)將其編號(hào)及上傳序號(hào)加入文件名。該進(jìn)程的流程如圖7。

3 系統(tǒng)電源管理

　　本系統(tǒng)使用鋰電池為系統(tǒng)供電。為了延長(zhǎng)電池的續(xù)航能力，將應(yīng)用程序設(shè)計(jì)為三種運(yùn)行狀態(tài)：上電空閑狀態(tài)、程序執(zhí)行狀態(tài)及系統(tǒng)睡眠狀態(tài)。當(dāng)用戶不進(jìn)行任何操作時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)入睡眠狀態(tài)以達(dá)到省電目的。系統(tǒng)的睡眠是基于微處理器的電源管理功能實(shí)現(xiàn)的，進(jìn)入睡眠的步驟如下：

　　(1)關(guān)閉所有外設(shè)；
　　(2)保存當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)；
　　(3)使SDRAM進(jìn)入自刷新模式；
　　(4)設(shè)置喚醒事件，使微處理器進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

　　當(dāng)喚醒事件發(fā)生時(shí)，如有鍵按下，則執(zhí)行系統(tǒng)復(fù)位。過(guò)程如下：

　　(1)恢復(fù)部分微處理器的寄存器；
　　(2)喚醒外部設(shè)備，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行。

　　本文介紹了在AT91RM9200高性能ARM芯片上運(yùn)行嵌入式Linux，結(jié)合TagMaster AB公司功能強(qiáng)大的射頻識(shí)別模塊S1510實(shí)現(xiàn)便攜式標(biāo)簽卡的信息采集和處理。系統(tǒng)使用方便、靈活。另外，為克服LCD低溫?zé)o法工作、亮度不夠及耗電大的缺點(diǎn)，采用OLED顯示模塊使系統(tǒng)可以在惡劣環(huán)境下應(yīng)用，并增加了電池的續(xù)航能力；為使系統(tǒng)與上位機(jī)通信方便，采用了支持熱插拔的USB接口。

參考文獻(xiàn)

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