基于ARM的智能測溫系統(tǒng)設(shè)計

（1）DDR2 SDRAM電路
S5PC100 SDRAM控制器通過向外部16位或32位SDRAM
提供接口來擴展芯片存儲能力。本平臺采用2片K4T1G164
16位寬度DD2 SDRAM組成32位內(nèi)存，容量256MB，如圖3。
（2）NANDFLASH電路與SD卡存儲電路 由于系統(tǒng)需要運行Linux系統(tǒng)，系統(tǒng)代碼較為復(fù)雜，需
要一定容量的存儲器存放Linux操作系統(tǒng)源代碼以及應(yīng)用程 序，由于S5PC100內(nèi)置了NAND FL ASH控制器，因此平臺 采用K9F2G08 256MB NAND FLASH直接與S5PC100 NAND FLASH控制器接口連接。SD卡可通過S5PC100內(nèi)置SDIO1總 線直接連接。其NAND FLASH電路原理圖如圖4所示、SD卡 的原理圖如圖5所示。
2.2  溫度傳感器接口
平臺設(shè)計了采用DS18B20一線制溫度傳感器接口。采用 S5PC100處理器GPIO引腳接口控制溫度傳感器DS18B20的溫 度測量，LCD屏輸出測量溫度，原理圖如圖6所示。
2.3 溫度報警電路
本 設(shè) 計 采 用 軟 件 處 理 報 警 ， 利 用 無 源 蜂 鳴 器 進 行 報 警，當(dāng)所測溫度超限后輸出PWM信號，驅(qū)動蜂鳴器報警， 其電路原理圖如圖7所示。

3  系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1  Linux操作系統(tǒng)移植
完整的嵌入式linux系統(tǒng)由bootloader、kernel、rootfs等
3個基本部分組成。其中bootloader用于引導(dǎo)和裝載操作系統(tǒng)、kernel為linux內(nèi)核程序、rootfs為文件系統(tǒng)，如圖8。
3.1.1  交叉編譯環(huán)境
嵌入式開發(fā)系統(tǒng)受到自身硬件以及軟件資源的限制， 無法完成代碼的本地編譯，其開發(fā)需要在宿主機上建立交叉 開發(fā)環(huán)境。
交叉開發(fā)環(huán)境是包含了編輯器、編譯器、連接器、調(diào) 試器和libc庫等的程序環(huán)境。在開發(fā)嵌入式Linux相關(guān)軟件 時，常用的交叉開發(fā)工具是GNU工具鏈。系統(tǒng)中宿主機使 用的開發(fā)環(huán)境為ubuntu12.04操作系統(tǒng)，目標(biāo)板內(nèi)核版本號為 標(biāo)準(zhǔn)linux-2.6.35，使用到的交叉編譯器是arm-linux-gcc-4.5.1。
3.1.2    Bootloader程序設(shè)計
Bootloader是在操作系統(tǒng)運行前運行的一段專用程序， 可以完成平臺硬件設(shè)備的初始化，并能完成引導(dǎo)和調(diào)試操作 系統(tǒng)。 Bootloader依賴CPU體系結(jié)構(gòu)，一般將Bootloader按功 能劃分為兩個階段，其中第1階段實現(xiàn)基本硬件電路的初始 化，為操作系統(tǒng)的運行準(zhǔn)備環(huán)境。在平臺中，由于使用的是 ARM微控制器，因此第一階段需要實現(xiàn)設(shè)置處理器進入管 理模式、關(guān)閉處理器中斷與快中斷、設(shè)置處理器主頻、高速 總線主頻與告訴外設(shè)主頻、CPU關(guān)閉MMU與數(shù)據(jù)Cache，初 始化內(nèi)存控制器，代碼由存儲器自搬運至內(nèi)存，設(shè)置運行程 序需要的臨時堆棧、BSS段清零等工作。第2階段主要實現(xiàn) 進入交互模式或者自引導(dǎo)模式，實現(xiàn)操作系統(tǒng)的加載，一般 要根據(jù)操作系統(tǒng)與硬件平臺的需要實現(xiàn)相關(guān)硬件的初始化工 作， 如初始化GPIO、串口、網(wǎng)口等外部設(shè)備，完成向內(nèi)核 傳遞啟動參數(shù)等功能。
3.1.3   Linux內(nèi)核的定制
Linux目前已經(jīng)支持了x86、ARM、MIPS等多種處理器 架構(gòu)，支持的平臺類型多達3000多種。各種ARM處理器的 設(shè)計廠商為了更好地推廣處理器的使用，都會Linux中添加補丁， 使得該處理器能夠在L i nu x 行正常運行。 平臺選用
Linux-2.6.35版本，面對大規(guī)模的Linux源代碼，我們需要對
Linux進行剪裁移植。
Linux源代碼采用模塊化的組織方式，可以通過條件編 譯的方式對Linux源碼的功能進行剪裁，但是條件編譯法裁 剪的是功能模塊，對于具體的硬件驅(qū)動和優(yōu)化就需要對源代 碼進行細(xì)微的修改了。
3.1.4 根文件系統(tǒng)的建立
根文件系統(tǒng)是存放各種工具軟件、庫文件、腳本、配 置文件的地方，任何包括這些Linux系統(tǒng)啟動所必須的文件 都可以成為根文件系統(tǒng)。Linux支持jffs2，nfs，cramfs，yaffs2 等多種文件系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中使用的Ramdisk文件系統(tǒng)，實 際上是把內(nèi)存劃出一部分當(dāng)作硬盤使用，使得程序運行效率 更高。系統(tǒng)中的工具集合采用BusyBox完成，BusyBox 將許多 具有共性的小版本的UNIX工具結(jié)合到一個單一的可執(zhí)行文 件。這樣的集合可以替代大部分常用工具比如GNU fileutils
， shellutils等工具，BusyBox提供了一個比較完善的環(huán)境，可 以適用于任何嵌入式設(shè)備。
3.2 溫度傳感器驅(qū)動程序的設(shè)計
在Linux中，為實現(xiàn)模型抽象和統(tǒng)一操作接口，設(shè)備驅(qū) 動程序隱藏了設(shè)備的具體細(xì)節(jié)，向用戶提供了統(tǒng)一的設(shè)備接 口。Linux設(shè)備驅(qū)動運行于內(nèi)核中，完成直接硬件操作、設(shè) 備管理等工作，并向用戶提供了統(tǒng)一的接口模型。Linux下 將設(shè)備分為字符、塊和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備三類，同樣設(shè)備驅(qū)動也分為 字符驅(qū)動、塊設(shè)備驅(qū)動和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動。字符設(shè)備面向的設(shè) 備是流式設(shè)備，如鼠標(biāo)、鍵盤等；塊設(shè)備面向的是需要隨 機存儲的設(shè)備，它主要包括硬盤、光驅(qū)等存儲設(shè)備；其中 DS18B20屬于字符設(shè)備。
在 字 符 與 塊 設(shè) 備 中 由 一 個 主 設(shè) 備 號 和 一 個 次 設(shè) 備 號
（minor number）標(biāo)識驅(qū)動設(shè)備。主設(shè)備號用于標(biāo)識設(shè)備類 型，次設(shè)備號用于識別同類設(shè)備序號。字符驅(qū)動程序通過 file_operations結(jié)構(gòu)的指針向用戶程序提供接口抽象。
其內(nèi)核定義如下：
struct file_operations
{
int (*read) (struct inode *inode,struct file *filp,char *buf,int count); /*設(shè)備讀*/
int (*write) (struct inode *inode,struct file *filp,char *buf,int
count); /*設(shè)備寫*/int (*ioctl) (struct inode *inode,struct file *filp,unsigned int
cmd,unsigned int arg); /*I/O控制*/
int  (*open) (struct inode *inode,struct file *filp);  /*設(shè)備打 開*/
void (*release) (struct inode *inode,struct file *filp);  /*設(shè)備 關(guān)閉*/
??????
};
在結(jié)構(gòu)file_operations里，指出了設(shè)備驅(qū)動程序所提供的 入口點位置，分別是：
read讀操作，完成由應(yīng)用設(shè)備向應(yīng)用程序傳遞的數(shù)據(jù)。 write寫操作，完成由應(yīng)用程序向設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)。 ioctl，進行讀、寫以外的其它命令操作。 open，打開設(shè)備準(zhǔn)備進行I/O操作。 release，設(shè)備釋放操作。 每一個字符設(shè)備驅(qū)動由一個cdev結(jié)構(gòu)體抽象，具體的驅(qū)
動的實現(xiàn)由 file_operations實現(xiàn)，用戶程序通過dev_t代表設(shè) 備號查找到內(nèi)核中的cdev，由cdev調(diào)用到file_operations，從 而調(diào)用到實際的硬件操作函數(shù)。

4 結(jié)論
本文以便攜式手持溫度測試儀為技術(shù)、應(yīng)用背景，設(shè) 計了一套具備溫度測量、數(shù)據(jù)記錄、LCD顯示以及網(wǎng)絡(luò)通信 功能的溫度測試設(shè)備。
由于便攜式手持溫度測試儀具有體積小、功耗低同時 又具備較高性能的要求，系統(tǒng)采用了ARM微控制器作為系 統(tǒng)的核心控制單元，并在平臺上移植了Linux操作系統(tǒng)以滿 足系統(tǒng)對聯(lián)網(wǎng)、存儲方面的需要。對比眾多的處理器，選用 了三星公司基于Cortex-A8 內(nèi)核的 S5PC100處理器，圍繞核 心電路設(shè)計了溫度采集，大容量存儲、人機交互、以及網(wǎng)絡(luò) 通訊等單元電路；在平臺電路的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了Linux系統(tǒng)的 移植工作，并完成了這些設(shè)備接口電路的驅(qū)動移植工作； 在Linux系統(tǒng)下實現(xiàn)了DS18B20的驅(qū)動設(shè)計工作，并編寫了基 于液晶顯示的測試程序。經(jīng)過實際測試，應(yīng)用程序能夠在 Linux下采集DS18B20的溫度數(shù)據(jù)，并能夠?qū)崿F(xiàn)在LCD上的顯 示、存儲功能，存儲文件能夠通過網(wǎng)絡(luò)的NFS服務(wù)導(dǎo)出到PC 端，實現(xiàn)了課題設(shè)計的功能。