關鍵詞：EPA IEEE802.11b 嵌入式Linux 溫度變送器

 

引言

 

　　IEEE802.11是IEEE無線局域網標準，主要用于用戶終端的無線接入。IEEE802.11只規定了開放式系統互聯參考模型的物理層和介質訪問子層，其MAC層利用載波監聽多路訪問/沖突避免（CSMA/CA）協議；定義了單一的MAC層和多樣的物理層，其物理層標準主要有IEEE802.11b、IEEE80211a和IEEE80211g。IEEE802.11b標準是IEEE802.11協議標準的擴展，最高可以支持11 Mbps的數據速率，運行在2.4 GHz的ISM頻段上，采用的調制技術是CCK,支持數據業務。

 

　　本文詳細分析了采用S3C2410處理器平臺具體實現運用于EPA網絡的IEEE802.11b無線實時溫度采集器的開發流程，并對串口通信的調試手段及常見問題進行了探討。

 

1 溫度變送器的硬件設計

 

　　溫度變送器系統平臺硬件系統功能如圖1所示。該平臺的核心器件是Samsung公司的處理器S3C2410，外部擴展了16 MB、16位的Flash內存和64 MB、32位的SDRAM。處理器S3C2410通過UART接口和溫度變送器相連，通過USB接口和一個IEEE802.11b網絡接口卡相連，通過RS232串口和外部PC相連。溫度變送器采集到的溫度數據輸入系統緩沖區中，處理器S3C2410可對緩沖數據直接進行相關處理；處理后的數據可以通過RS232串口傳送給外部宿主機PC，也可通過IEEE802.11b網絡接口卡發送到無線局域網上。

 

　　S3C2410處理器功能十分強大，資源豐富。它內部集成了ARM公司的32位微處理器ARM920T，主頻最高可達203 MHz，具有獨立的16 KB指令Cache和16 KB數據Cache，還有LCD控制器、RAM控制器、NAND閃存控制器、3路UART、4路DMA、4路帶PWM的Timer、并行I/O口、8路10位ADC、觸摸屏接口、2個USB接口控制器和2路SPI。

 

　　從外部溫度傳感器采集到的數據經S3C2410 CPU數據處理模塊傳回到IEEE802.11b USB接口卡；IEEE802.11b的無線通信模塊經IEEE802.11b的接入點傳到外部以太網絡中。

 

 

圖1硬件系統功能

 

2 溫度變送器的軟件系統設計

 

　　溫度變送器軟件系統設計流程如圖2所示。系統分3步實現：① 為溫度變送器編寫內核驅動程序；② 編寫溫度數據采集應用程序，通過串口獲取溫度數據并進行相應的EPA報文打包處理；③ 利用無線網絡將處理數據發送給上位機。前面提到系統平臺上運行的是ARM Linux。在啟動后啟用了MMU，系統進入保護模式，所以應用程序不能直接讀/寫外設的I/O區域(包括I/O端口和I/O內存)。這時一般要借助于該外設的驅動來進入內核態完成這項工作。

 

 

圖2軟件系統設計流程

 

2.1 串口的驅動實現

 

　　在Linux下，設備驅動程序可以看成Linux內核與外部設備之間的接口。設備驅動程序向應用程序屏蔽了硬件實現上的細節，使得應用程序可以像操作普通文件一樣來操作外部設備，可以使用和操作文件中相同的、標準的系統調用接口函數來完成對硬件設備的打開、關閉、讀/寫以及I／O控制操作； 而驅動程序的主要任務也就是要實現這些系統調用函數。本系統平臺使用的嵌入式ARM Linux系統在內核主要功能上與Linux操作系統沒有本質區別，所以驅動程序要完成的任務也一樣；只是編譯時使用的編譯器、部分頭文件和庫文件等要涉及具體處理器體系結構， 這些都可在Makefile文件中具體指定。當應用程序對設備文件進行諸如open、close、read、write等系統調用操作時，Linux內核將通過file_operations結構訪問驅動程序提供的函數。例如，當應用程序對設備文件執行讀操作時， 內核將調用file_operations結構中的read函數。在系統平臺上對串口數碼攝像頭驅動，首先把串口驅動模塊靜態編譯進內核，使平臺支持串口;再在須使用溫度采集時，使用insmode動態加載其驅動模塊。這樣溫度傳感器就可正常工作了，接著進行下一步——對溫度的采集編程。

 

2.2 溫度數據采集模塊

 

　　在溫度變送器串口被驅動后，需要再編寫一個采集溫度的應用程序。根據嵌入式系統開發特征，先在宿主機上流程編寫應用程序；再使用交叉編譯器進行編譯、鏈接，生成目標平臺的可執行文件。宿主機與目標板通信采用打印終端的方式進行交叉調試， 成功后移植到目標平臺。編寫采集程序是在安裝Linux操作系統的宿主PC機上進行的，其程序流程如圖3所示。

 

 

圖3溫度數據采集程序

 

　　程序運行流程如下：

 

　　① 初始化設備功能，發送03H給溫度變送器。如果初始化失敗，則重復發送初始化功能碼2次，若都失敗則返回；若成功則進入下一步。

　　② 進行數據查詢，查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設備要實現何種功能。數據段包含了從設備要實現功能的任何附加信息，即讀取或修改的起始地址以及數據數量。CRC校驗為從設備提供了一種驗證消息內容是否正確的方法。 

　　③ 如果從設備產生一個正常的響應，則響應消息中的功能代碼是查詢消息中的功能代碼的回應。數據段包括了從設備收集的數據。如果有錯誤發生，則從設備將修改功能代碼以表明此回應是一個異常的回應；同時數據段中包含相應的錯誤代碼，CRC校驗用于主設備判斷響應幀內容的正確性。 

　　④ 將從設備得到的數據運用EPA協議棧進行數據的封裝，然后通過IEEE802.11b無線網卡發送到數據分析設備。

　　⑤ 根據對數據的處理，將得到返回的數據，程序再將返回數據寫入從設備。如果寫入失敗，則連續寫兩次，若仍失敗則跳出。

 

　　系統采用主從通信技術， S3C2410處理器模塊作為主設備，溫度傳感器作為從設備。主設備可以對溫度傳感器進行初始化，并發出查詢指令；溫度傳感器根據主設備查詢指令實現相應的功能。S3C2410處理器模塊查詢的格式包括功能代碼、所有要發送的數據和CRC校驗域；從設備回應消息也包括相應的功能代碼、任何要返回的數據和CRC校驗域。如果在消息接收過程中發生錯誤，從設備將構造一錯誤幀并將其作為應答回應。程序中構造的幀格式如下：

 

　　主設備查詢幀

 

 

　　從設備響應幀

 

　　當主設備查詢從設備時，它希望得到從設備的正常響應，但可能有3種處理情形：

 

　　① 從設備收到了主設備的查詢，且全部校驗正確，從設備就產生正確的響應。

　　② 從設備由于通信錯誤等沒有收到主設備的查詢，因此也就無法產生響應。這時主設備將通過超時判斷查詢的錯誤。

　　③ 從設備收到了主設備的查詢，但檢測出通信幀內容出錯（如CRC校驗出錯或非法的起始地址等），這時從設備將產生異常響應通知主設備相關的錯誤信息。

 

　　最后將采集數據用EPA協議棧打包，并利用無線網絡進行傳輸。

 

2.3 無線網絡模塊

 

　　無線溫度變換器的實時數據無線網絡模塊是將無線網卡注入內核，“插槽”驅動層通過API為PC卡服務層提供服務，編寫“插槽”層驅動就是實現這些API函數。PC卡服務層維護著一張函數表，記錄已登記的“插槽”驅動層的API函數，相應地提供了兩個接口函數用來登記和取消登記一個“插槽”驅動層的API函數。定義如下：

 

　　int register_ss_entry(int nsock, ss_entry_t ss_entry)；

　　int unregister_ss_entry(int nsock, ss_entry_t ss_entry)；

　　typedef int (*ss_entry_t)(u_int sock, u_int cmd, void *arg)；

 

　　◆ 函數register_ss_entry： 用來登記一個“插槽”驅動層服務函數。

　　◆ 函數unregister_ss_entry： 用來取消指定函數的登記，表明“插槽”層不再提供該服務。

　　◆ 具體服務函數ss_sentry： 該函數的編寫是核心。它包括3個參數： 第1個參數sock是插槽編號；第2個參數cmd是命令，即服務函數的編碼；第3個參數是一個void類型的指針，用來傳遞任意的參數。

 

　　PCMCIA“卡和插槽服務”（Card and Socket Services）軟件規范要求插槽層提供的服務共有12項，Linux操作系統定義在include\pcmcia\ss.h文件里。

 

　　enum ss_service {

　　　　SS_RegisterCallback, SS_InquireSocket,

　　　　SS_GetStatus, SS_GetSocket, SS_SetSocket,

　　　　SS_GetIOMap, SS_SetIOMap, SS_GetMemMap, SS_SetMemMap,

　　　　SS_GetBridge, SS_SetBridge, SS_ProcSetup

　　};

 

3 測試

 

　　首先在宿主機PC上使用交叉編譯器編譯、鏈接溫度數據采集程序，使之生成可執行代碼，然后移植到目標平臺上。為了進一步觀察采集的溫度數據效果，可在目標平臺帶網絡支持的基礎上編寫一個網絡通信程序，把采集到并處理成浮點型的溫度數據通過網絡傳輸到PC機上進行顯示。搭建無線溫度變送器的測試系統如圖4所示。

 

 

圖4IEEE802.11b

 

　　無線溫度變送器的測試系統無線監控系統采集的基于S3C2410的IEEE802.11b無線溫度變送器的實時數據如圖5所示。

 

 

圖5IEEE802.11b

 

4 結論

 

　　實際的溫度測量數據表明，基于IEEE802.11b的EPA溫度數據采集器可以很好地完成溫度數據的采集處理，并通過無線接入點與相關設備進行通信。另外，在基于EPA標準的無線局域網系統應用中，驗證了此設計的可行性。