基于ARM-Linux的數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)設(shè)計

8片MAX1308由兩片Altera公司的Cyclone II系列FPGA芯片控制，每片F(xiàn)PGA內(nèi)部分為兩個模塊，一個為AD轉(zhuǎn)換控制模塊，另一個為FIFO存儲模塊。最終兩個FIFO存儲器分別掛在S3C2440芯片的BANK3和BANK5上，通過數(shù)據(jù)總線，ARM處理器可以讀取FIFO內(nèi)的數(shù)據(jù)。ARM與FPGA(FIFO)接口電路如圖4所示。

其中的FIFO由Quartus II提供的IP核手動配置，自動生成。FIFO的輸出通過一組三態(tài)門與ARM的數(shù)據(jù)總線相連，三態(tài)門的EN端分別由nGC S3和nGCS5控制，同時nGCS3和nGCS5通過反相器分別與兩個FIFO的rdreq端相連，這樣ARM通過這兩個片選信號可同時打開FIFO的輸出通道以及讀使能信號rdreq。nOE信號通過反相器分別與兩個FIFO的rdclk端相連，來提供FIFO的讀時鐘信號。

3 軟件設(shè)計

3.1 AD控制部分

MAX1308采用內(nèi)部時鐘的采樣時序圖如下圖5所示。其中雙向并行接口DO～D7用來設(shè)置8位配置寄存器，以激活和禁止相應(yīng)的采樣通道。內(nèi)部時鐘模式下，啟動一次轉(zhuǎn)換，需在采樣時間(tACQ)內(nèi)將CONVST置為低電平，此時T/H捕獲信號，在CONVST上升沿轉(zhuǎn)換開始。一旦能夠讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號()將給出一個低電平脈沖。當(dāng)最后一個通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果可以被讀取時，最后轉(zhuǎn)換結(jié)束信號()跳變到低電平。

FPGA內(nèi)部按照上述時序邏輯實現(xiàn)采集模塊后，再連接到FIFO模塊上，然后通過一組三態(tài)門掛接到ARM數(shù)據(jù)總線上。

3.2 Linux設(shè)備驅(qū)動

設(shè)備驅(qū)動程序在Linux內(nèi)核中扮演著特殊的角色，它使某個特定硬件響應(yīng)一個定義良好的內(nèi)部編程接口，這些接口完全隱藏了設(shè)備的工作細節(jié)。用戶的操作通過一組標(biāo)準(zhǔn)化的調(diào)用執(zhí)行，而這些調(diào)用獨立于特定的驅(qū)動程序。將這些調(diào)用映射到作用于實際硬件的設(shè)備特有操作上，則是設(shè)備驅(qū)動程序的任務(wù)。

3.2.1 FIFO設(shè)備驅(qū)動

用戶空間驅(qū)動程序具有很多優(yōu)點，比如可以和整個C庫連接，可以使用通常的調(diào)試器調(diào)試驅(qū)動程序代碼，而不用費力地調(diào)試正在運行的內(nèi)核等。

該驅(qū)動程序是通過mmap函數(shù)將外設(shè)FIFO存儲器映射到用戶空間的一段內(nèi)存中，進而對其進行操作。映射一個設(shè)備意味著將用戶空間的一段內(nèi)存與設(shè)備內(nèi)存關(guān)聯(lián)起來。mmap函數(shù)定義如下：

#include

void*mmap(void*addr，size_t len，int prot，int flag，int filedes，off_t off);

此函數(shù)將在進程的虛擬地址空間(地址起始為addr，長度為len字節(jié))和與文件描述符fd關(guān)聯(lián)的文件(偏移量為off，長度為len字節(jié))之間建立映射。映射后系統(tǒng)對設(shè)備的讀寫操作就等同于對用戶內(nèi)存的讀寫。

程序中需要對S3C2440的存儲器控制寄存器進行配置，主要是BANKCON3、BANKCON5和BWSCON 3個寄存器，使BANK3和BANK5數(shù)據(jù)總線寬度為16位，WAIT等待信號無效，合理配置讀寫信號周期。這些同樣是通過存儲映射的方式實現(xiàn)。

3.2.2 DM9000網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動

Linux 2.6.30.4內(nèi)核中的網(wǎng)卡驅(qū)動相當(dāng)完善，其中包含DM9000的驅(qū)動，所以隨著內(nèi)核的移植，該驅(qū)動就可以直接使用了。

3.3 Socket網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序

Linux OS之所以得到廣泛應(yīng)用的一個主要原因是其卓越的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。Socket是一種實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)不同主機進程間通信的一種機制。

為了數(shù)據(jù)的可靠傳輸，我們選擇基于面向連接的TCP通信協(xié)議進行應(yīng)用層的開發(fā)，面向連接的Socket通信流程如圖7所示。

眾所周知，使用多進程的服務(wù)器模型有利于程序的健壯性。下位機作為服務(wù)器端，設(shè)置listen()偵聽客戶端的連接請求，針對每個Soc ket連接請求，利用fork()函數(shù)產(chǎn)生一個子進程處理到來的連接，在子進程中完成客戶指令的接收與判斷、數(shù)據(jù)的處理與發(fā)送等，并關(guān)閉服務(wù)器偵聽，在父進程中關(guān)閉客戶端的連接，采用多進程思想，解決多客戶端問題。上位機應(yīng)用程序為字符界面，將接收到的數(shù)據(jù)以文件的形式保持起來。

4 系統(tǒng)測試實驗

用SG1110數(shù)字合成信號發(fā)生器給采集板輸入一個頻率為4 kHz，峰峰值為8.6 V的正弦波信號，如圖8(a)所示，在單通道采集的模式下將采集的一段數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)絡(luò)上的客戶端，并將此數(shù)據(jù)用MATLAB程序畫圖如圖8(b)所示。

由上圖可以看出，還原后的圖像為一正弦波，每個周期的采樣點數(shù)約為160個，采樣頻率接近640 kHz，符合預(yù)期結(jié)果。

5 結(jié)論

嵌入式遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種新的將分散信息集中處理的有效方法，對工業(yè)控制的數(shù)據(jù)集中處理、環(huán)境監(jiān)控等有非常重要的應(yīng)用價值。該系統(tǒng)的創(chuàng)新點是在用戶空間實現(xiàn)了FIFO設(shè)備驅(qū)動，最大的特點是實現(xiàn)了多達64通道的模擬數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)了多數(shù)據(jù)源采集的要求。系統(tǒng)的便攜化程度高，實用性和智能性強，潛在的經(jīng)濟效益巨大。