一線制傳感器在基于Linux平臺車載信息采集系統(tǒng)中的應用

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，如采集車內溫度、暖風或空調溫度、車外溫度、水箱溫度等。DS18B20是一種可組網單總線數(shù)字溫度傳感器，為信息采集提供了經濟有效的可行方案。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置網絡功能等優(yōu)良性能，逐漸成為車載設備廣泛使用的系統(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、相關功能設置等。當需要語音提示或報警時，應用程序調用語音模塊；當需要存儲或顯示歷史數(shù)據(jù)時，應用程序調用SD存儲模塊。

　　1 Linux系統(tǒng)開發(fā)概述

驅動程序的開發(fā)是嵌入式Linux開發(fā)的主要任務之一。設備驅動為上層應用程序提供控制硬件的設備接口，同時直接與Linux內核打交道。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

　　應用程序開發(fā)是嵌入式Linux開發(fā)的另一個主要任務。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 庫的基礎上,專門針對PDA、SmartPhone這類運行嵌入式Linux 的移動設備和手持設備所開發(fā)的開放源碼的一套應用程序包和開發(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)，內核開發(fā)，音頻模塊設計，串口模塊設計，CAN總線模塊設計，車輛狀態(tài)（又包含開關量、模擬量、數(shù)字量等）檢測模塊設計等。

本設計著重實現(xiàn)一線制溫度網絡的數(shù)據(jù)采集。一線制溫度網絡的溫度信號特點是：數(shù)值不高，多在0~100 ℃范圍內；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。

一線網絡的優(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。一線網絡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)的網絡。

DS18B20是一種可組網的單總線數(shù)字溫度傳感器，具有以下功能特點：
① 適應寬的電壓范圍（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，保證嚴格的讀寫時序成為測溫關鍵,因此沒有采用I/O驅動，而是單獨編寫一線制溫度網絡驅動。

本設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 驅動實現(xiàn)

本節(jié)將實現(xiàn)一線制溫度傳感器網絡的驅動模塊。驅動從總體上看分為兩部分：驅動與內核接口層、硬件設備接口層。

3.1 驅動與內核接口層

驅動與內核接口層主要完成驅動模塊在Linux內核的注冊加載、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)完成驅動模塊加載：
static int __init DS18B20_init(void){
……
register_chrdev(DS18B20_MAJOR,DEVICE_NAME, DS18B20_fops);//完成設備注冊
#ifdefCONFIG_DEVFS_FS//創(chuàng)建設備文件系統(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)完成驅動模塊卸載：
static void __exit DS18B20_exit(void) {
#ifdef CONFIG_DEVFS_FS
devfs_remove(DEVICE_NAME);//移除設備文件
#endif
unregister_chrdev(DS18B20_MAJOR,DEVICE_NAME); //完成設備注銷
……
}

3.2 硬件設備接口層

硬件設備接口層用來描述驅動程序與設備的交互。這些工作通過虛擬文件系統(tǒng)與設備驅動程序的接口實現(xiàn)。這個接口由file_operation結構定義，其結構如下：

static struct file_operations DS18B20_fops ={
.owner=THIS_MODULE, //指向擁有該結構的模塊，內核使用該結構維護模塊使用計數(shù)
.open=DS18B20_open, //打開設備函數(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, //釋放設備函數(shù)
};

3.2.1 打開設備函數(shù)

打開設備函數(shù)主要完成設備的初始化。
DS18B20_open(struct inode *inode,struct file *filp) {
Initial_Timer( );//初始化定時器，使內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，由當前讀通道號變量指定當前通道
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，通過內核定時器延時，進行下一次讀，在中斷服務程序中再次啟動讀
……
}

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

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內核調度,等待通知
current>state = TASK_RUNNING;//得到有數(shù)據(jù)的通知，聲明任務狀態(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，通知訪問設備的進程，表示設備已經準備好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的結構指針，然后實現(xiàn)fasync接口函數(shù)。

static struct fasync_struct *fasync;//定義一個結構體
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用內核的kill_fasync函數(shù)。在打開設備函數(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)調用操作接口函數(shù)

當程序需要進行對多個文件讀寫時，如果某個文件沒有準備好，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)。如果設備無阻塞地讀，就返回POLLIN； 通常的數(shù)據(jù)已經準備好，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釋放設備函數(shù)

static intDS18B20_release(struct inode *inode,struct file *filp) {
ReleaseFlag=0//內核停止讀取溫度標志
DS18B20_fasync(1,filp,0);//關閉異步通知
module_put(THIS_MODULE);//設備計數(shù)器減1
return 0;
}

寫接口函數(shù)用來通知驅動。例如通知驅動讀取通道2的數(shù)據(jù)，在應用程序中執(zhí)行寫接口函數(shù)write（fileno,SLOT2,1），驅動設置當前讀通道號為2。

至此完成驅動接口函數(shù)。此驅動屬于字符設備驅動，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。最后重新配置內核，將驅動以模塊形式添加到內核，這樣就可以編譯驅動了。

4 Qtopia應用程序設計

（1） 創(chuàng)建工程

首先利用QT Designer設計器創(chuàng)建一個窗體應用程序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工具產生相應的*.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 類負責圖像用戶界面應用程序的控制流和主設置，對所有來自系統(tǒng)和其他源文件的事件進行處理和調度；還包括應用程序的初始化和結束。

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)行之前要設置相關的環(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，將生成目標二進制文件Thermometer，此文件即可在設備上運行。

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，包括驅動開發(fā)和應用程序開發(fā)流程。創(chuàng)新點在于將一線制傳感器網絡引入車載信息采集系統(tǒng)，大大簡化了線路結構，有很高的實用價值。