基于PXA310平臺的溫濕度傳感器設計與實現(xiàn)方法

摘要：在嵌入式應用領域，需要測量周圍環(huán)境的質量對生產和工作進行監(jiān)控和預警。通過比較設計方案，提出在嵌入式Linux 下，基于PXA310 平臺溫濕度傳感器的設計與實現(xiàn)方法。在Linux 操作系統(tǒng)下通過對驅動程序接口調用，完成溫濕度數據讀取和預警，并對Linux 驅動程序編寫進行比較。實驗表明，本方案硬件和軟件設計切實可行，提高了環(huán)境測量的準確度和系統(tǒng)性能的實時性。

1 引言

在工業(yè)控制和工業(yè)生產領域中，傳感器對于工業(yè)控制和生產環(huán)境的監(jiān)控作用不言而喻。傳統(tǒng)的傳感器監(jiān)控系統(tǒng)大都采用單片機控制，其監(jiān)控的準確度和實時性不太令人滿意。本文尋找到一套切實可行的傳感器設計方案，其利用溫濕度傳感器芯片，基于PXA310硬件平臺和Linux 操作系統(tǒng)，能有效監(jiān)控現(xiàn)場溫濕度變化。在周圍環(huán)境發(fā)生變化，不能滿足工作要求時，可以獲取監(jiān)控數據并提出預警，提高生產和工作環(huán)境檢測的可靠性及實時性。

2 溫濕度傳感器電路設計

比較了一些傳感器應用設計方案后，選用SHT10芯片為嵌入式溫濕度傳感器的核心部件。它外圍電路簡便，相比其他傳感器芯片(DS18B20)有其獨到優(yōu)勢。

STH10 每秒可進行3 次溫濕度測量，數據精度14 bit并且工作穩(wěn)定。其測量采用CMOSens 專利，所以在測量效率和精度上要好于DS18B20.DS18B20 采用單總線控制方案(1-wire)，大約每秒測量一次，9 位數字式溫度數據;只提供溫度測量。其在生產環(huán)境檢測要求嚴格時，就顯得精度和功能有些不足。

2.1 sht10 簡介

SHT10 是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全量程標定數字輸出。傳感器包括一個電容性聚合體濕度敏感元件和一個用能隙材料制成的溫度敏感元件，他們與一個14 位A/D 轉換器以及一個串行接口電路設計在同一個芯片上面。其通過標定得到校準系數以程序形式儲存在芯片OTP 內存中，并利用兩線制串行接口與內部電壓調整，使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡單。

2.2 SHT10 工作原理

SHT10 芯片電源3.3V .傳感器上電后，等待11ms 來完成休眠狀態(tài)。通信復位和啟動傳輸命令后，發(fā)送一組測量命令('00000101'表示相對濕度RH,'00000011'表示溫度T)，控制器要等待測量結束。這個過程需要大約11/55/210ms ,分別對應8/12/14bit 測量。SHT10 通過下拉DATA 至低電平，表示測量結束?？刂破饔|發(fā)SCK 時鐘前，必須等待這個數據備妥信號才能將測量數據正確讀入。

測量和通訊結束后，SHT10 自動轉入休眠模式。數據傳送采用兩線制串行接口(與I2C 接口不兼容)。

2.3 SHT10 電路原理圖

SHT10 采用LCC 封裝，其DATA 和SCK 引腳分別連接到PXA310 的GPIO78 和GPIO79.PXA310通過模擬時序方式實現(xiàn)對外圍溫濕度傳感器的控制和數據讀寫操作。由于SHT10 對于溫濕度靈敏度很高，在系統(tǒng)集成時應盡量遠離發(fā)熱源(如MCU、LCD 等)，否則測量結果會有所偏離;為SHT10 布線時，周圍應盡量鋪地減少周圍器件對其的干擾。SHT10 電路原理圖如圖1 所示。

圖1 SHT10 電路原理圖

3 Linux溫濕度傳感器驅動程序實現(xiàn)

單片機控制的傳感器設備中，單片機通常是單線程運行。在進行溫濕度測量時，單片機需要等待測試結果返回，其方法阻礙了其他測試和操作的同步執(zhí)行。

在嵌入式Linux 系統(tǒng)中，驅動程序將測試任務送入任務隊列，交出CPU 控制權，繼而進行其他實時任務運行，待內核空閑再進入任務隊列完成傳感器的測量，以此提高系統(tǒng)執(zhí)行的效率和實時性。

3.1 Linux 溫濕度傳感器設備加載

溫濕度傳感器使用Linux 內核的Miscdevice 數據結構在驅動程序初始化時將設備注冊到內核。

Miscdevice 是字符設備，其主設備號為10,設備及設備接口函數定義如下所示。

驅動程序加載設備時將調用內核的注冊函數。在Linux2.4 和2.6 內核中，幾乎所有Linux 驅動程序都依靠如下函數加載模塊。

驅動程序初始化完成后，上層應用程序可以調用sht10_fops 中的sht10_read 函數進行溫濕度的讀取操作。

3.2 Linux 溫濕度傳感器設備操作

進行數據讀取前，首先要在驅動程序中開辟4 個字節(jié)的數據空間，用于存放溫度和濕度測量值。這里定義全局變量數據緩沖區(qū)為unsigned char buf[4].

讀取SHT10 溫濕度數據前，需要進行端口初始化和SHT10 復位操作，然后將任務送于任務隊列并阻塞線程，當任務完成返回后再喚醒線程，將讀到數據傳遞給上層應用程序做進一步處理。程序流程圖和實現(xiàn)函數如圖2 所示。

圖2 驅動程序流程圖。

上述函數中start_trans; write_byte; read_data; read_byte 分別利用PXA310 引腳模擬時序完成啟動傳輸、寫字節(jié)，讀一位數據和讀字節(jié)的操作。

內核tasklet_schedule() 調度執(zhí)行指定的tasklet,在獲得運行機會之前只會調度一次，如果在運行時被調度， 則完成后會被再次運行。

wait_for_completion()這個函數進行一個不可打斷的等待，如果有代碼調用它，并且沒有完成這個任務，結果會是一個不可殺死的進程。copy_to_user()將內核空間數據傳向上層用戶空間，并讓上層測試程序做進一步處理。

3.3 Linux 溫濕度傳感器設備阻塞操作

由于溫濕度傳感器測量需要一定時間，為提高系統(tǒng)運行效率和實時性，在驅動程序中阻塞線程，交出內核控制權，等待操作完成后喚醒線程，提高系統(tǒng)利用率。complete()在函數中就是喚醒一個等待的讀取線程。任務隊列實現(xiàn)函數如下所示。

Tasklet可以使測量操作在系統(tǒng)負荷不重時被調用，或是被立即執(zhí)行，但始終不會晚于下一個CPU clock.

Tasklet 始終在中斷期間運行，并且在調度他的同一CPU 上運行。對比單片機系統(tǒng)，在單線程情況下，一般在sht10_read()中調用2 次measure_ sht10()來等待測量完成，測量效率依賴2 次測量消耗的時間;但在Linux 驅動程序中，使用Tasklet 方式操作，2 次測量過程不會對其他線程產生影響，在有其他實時事件需要及時處理時(如網絡，視頻)，可以更有效提高驅動運行效率，降低對其他實時處理產生的影響。

4 溫濕度傳感器測試與驗證

驅動程序完成以后，需要相應測試程序驗證驅動程序編寫的正確性。由于驅動程序中不能對數據進行浮點數運算，所以測試程序必須將驅動程序傳遞來的數據進行浮點數運算才能得到相應的溫濕度值。

4.1 溫濕度傳感器測試環(huán)境

在實驗室常溫下，測試程序多次調用驅動程序中讀溫濕度的函數接口獲得測試數據，來驗證設計的正確和可靠。并考慮實驗室內常溫下，相對濕度與溫度具有非線性關系，計算濕度值時需要考慮溫度的補償關系，其關系如圖3 所示。

圖3 SORH 轉換到相對濕度。

為補償濕度傳感器的非線性以獲取準確數據，并考慮實際溫度與測試參考溫度(25℃)不同，使用如下公式修正讀數。

RHlinear 是溫度修正系數，RHtrue 是相對濕度，SORH是傳感器返回的濕度值。進行12bit 濕度檢測時，參數取值如下表所示。

表1 濕度轉換系數與溫度補償系數

由于能隙材料研發(fā)的溫度傳感器具有極好線性，14bit 溫度值參考如下公式。

Temperature = d1+d2 x SOT

溫度轉換系數取值如下表所示，SOT 是傳感器返回的溫度值。

表2 溫度轉換系數

利用上述溫濕度轉換公式和系數可以得出溫濕度測量值。

4.2 溫濕度傳感器測試途徑與效率驗證

在測試程序中，考慮上述測量環(huán)境下溫濕度之間的非線性，調用驅動程序的sht10_read 函數將讀到的溫濕度數據返回上層測試程序進行浮點數運算，將計算值通過串口輸出，達到測試驗證的目的。測試程序的實現(xiàn)如下所示。

static void calc_sht10(float *humi, float*temp)

{

float rh=*humi;

float t=*temp;

float rh_line;

float rh_true;

t=t*d2+d1; //溫度轉換公式

rh_line=C3*rh*rh+C2*rh+C1; //相對濕度轉換公式

rh_true=(t-25)*(t1+t2*rh)+rh_line;

//相對濕度溫度補償

if(rh_true>100)rh_true=100; //超出范圍

if(rh_true0.1)rh_true=0.1;

printf(Humidity is: %.2f%RHn,rh_true);

printf(Temperature is: %.2f'Cn,t);

}

int main(int argc, char *argv[]) //主函數

{

int fd;

float temp,humi; //溫濕度數據

char buffer[4]; //數據緩沖

fd = open(/dev/sht10, 0); //打開文件

if (fd 0) { //打開失敗，退出

perror(open device /dev/sht10);

exit(1);

}

read(fd,buffer,sizeof(buffer));// 讀取溫濕度值

temp=(float)((buffer[0]《8)|buffer[1]);

humi=(float)((buffer[2]《8)|buffer[3]);

calc_sht10(humi, temp); //溫濕度數值轉換

close(fd); //關閉文件

return 0; //退出

}

測試完成后，考察驅動程序運行效率，即在驅動程序的tasklet_schedule 和copy_to_user 前分別對PXA310 的OSCR 時間計數寄存器進行時間讀取，計算此次溫濕度測量所用時間。計算公式如下所示。

Time=(OSCR2-OSCR1)/OSCR_FREQ

OSCR2 是喚醒線程后的時間，OSCR1 是進入任務隊列前的時間。OSCR_FREQ 是PXA310 內部時鐘頻率3.25MHz.這樣就可以計算出每次溫濕度讀取消耗的時間，以此對比SHT10 開發(fā)文檔中理論測量時間值，確定實際驅動程序運行的效率。

5 實驗結果與分析

超級終端中插入驅動模塊，運行測試程序，可以在終端上看到測試結果(如圖4)。

圖4 超級終端測試結果

系統(tǒng)功能實現(xiàn)后，利用上述Time 計算公式計算驅動程序中溫濕度測量消耗的時間，實際測試結果如表3 所示。

表3 驅動程序中實際測量消耗的時間

上表的測試結果不僅和傳感器的響應速度有關，而且還與系統(tǒng)中其他運行的線程有關。當系統(tǒng)中有高一級任務到來或其他實時事件需要處理時，實際測量時間會大于上表中的測量時間，并且隨著任務的增加測量時間也會相應的增加，完成的時間也受到外界中斷的影響。內核會在任務不繁忙時完成測量操作。上表測試結果并未受到系統(tǒng)中其他驅動程序和中斷的影響。對比開發(fā)手冊中理論測量時間可以看到，使用任務隊列的方法對改善系統(tǒng)處理能力與實時性效果明顯。

此外，實現(xiàn)溫濕度傳感器驅動程序還需要清楚了解SHT10 讀寫時序，讀取溫度和濕度所需要的時間不同。如果應用程序中得出的溫濕度值超過預期值，就可以打開GPIO 驅動模塊，觸發(fā)系統(tǒng)板上的蜂鳴器達到預警效果。

6 結語

此設計方案已經應用于嵌入式無聲交互控制系統(tǒng)的檢測，并且運行正常。實踐證明，該嵌入式Linux溫濕度傳感器設計方案可行有效，線程阻塞提高系統(tǒng)運行效率，在環(huán)境測量準確度和系統(tǒng)實時性方面得到了令人滿意的效果。由于此方案基于Linux 操作系統(tǒng)和PXA310 平臺，其在多任務、實時快速處理上具有一定的優(yōu)勢。