基于IEEE802.11b的EPA溫度變送器設(shè)計(jì)

引言
    IEEE802.11是IEEE無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，主要用于用戶終端的無線接入。IEEE802.11只規(guī)定了開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型的物理層和介質(zhì)訪問子層，其MAC層利用載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免（CSMA/CA）協(xié)議；定義了單一的MAC層和多樣的物理層，其物理層標(biāo)準(zhǔn)主要有IEEE802.11b、IEEE80211a和IEEE80211g。IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.11協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展，最高可以支持11 Mbps的數(shù)據(jù)速率，運(yùn)行在2.4 GHz的ISM頻段上，采用的調(diào)制技術(shù)是CCK,支持?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

　　本文詳細(xì)分析了采用S3C2410處理器平臺(tái)具體實(shí)現(xiàn)運(yùn)用于EPA網(wǎng)絡(luò)的IEEE802.11b無線實(shí)時(shí)溫度采集器的開發(fā)流程，并對(duì)串口通信的調(diào)試手段及常見問題進(jìn)行了探討。

1 溫度變送器的硬件設(shè)計(jì)

　　溫度變送器系統(tǒng)平臺(tái)硬件系統(tǒng)功能如圖1所示。該平臺(tái)的核心器件是Samsung公司的處理器S3C2410，外部擴(kuò)展了16 MB、16位的Flash內(nèi)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(gè)IEEE802.11b網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)緩沖區(qū)中，處理器S3C2410可對(duì)緩沖數(shù)據(jù)直接進(jìn)行相關(guān)處理；處理后的數(shù)據(jù)可以通過RS232串口傳送給外部宿主機(jī)PC，也可通過IEEE802.11b網(wǎng)絡(luò)接口卡發(fā)送到無線局域網(wǎng)上。

　　S3C2410處理器功能十分強(qiáng)大，資源豐富。它內(nèi)部集成了ARM公司的32位微處理器ARM920T，主頻最高可達(dá)203 MHz，具有獨(dú)立的16 KB指令Cache和16 KB數(shù)據(jù)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(gè)USB接口控制器和2路SPI。

　　從外部溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)S3C2410 CPU數(shù)據(jù)處理模塊傳回到IEEE802.11b USB接口卡；IEEE802.11b的無線通信模塊經(jīng)IEEE802.11b的接入點(diǎn)傳到外部以太網(wǎng)絡(luò)中。

圖1硬件系統(tǒng)功能

2 溫度變送器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　溫度變送器軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖2所示。系統(tǒng)分3步實(shí)現(xiàn)：① 為溫度變送器編寫內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序；② 編寫溫度數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序，通過串口獲取溫度數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的EPA報(bào)文打包處理；③ 利用無線網(wǎng)絡(luò)將處理數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。前面提到系統(tǒng)平臺(tái)上運(yùn)行的是ARM Linux。在啟動(dòng)后啟用了MMU，系統(tǒng)進(jìn)入保護(hù)模式，所以應(yīng)用程序不能直接讀/寫外設(shè)的I/O區(qū)域(包括I/O端口和I/O內(nèi)存)。這時(shí)一般要借助于該外設(shè)的驅(qū)動(dòng)來進(jìn)入內(nèi)核態(tài)完成這項(xiàng)工作。

圖2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

2.1 串口的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

　　在Linux下，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以看成Linux內(nèi)核與外部設(shè)備之間的接口。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序向應(yīng)用程序屏蔽了硬件實(shí)現(xiàn)上的細(xì)節(jié)，使得應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣來操作外部設(shè)備，可以使用和操作文件中相同的、標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用接口函數(shù)來完成對(duì)硬件設(shè)備的打開、關(guān)閉、讀/寫以及I／O控制操作； 而驅(qū)動(dòng)程序的主要任務(wù)也就是要實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。本系統(tǒng)平臺(tái)使用的嵌入式ARM Linux系統(tǒng)在內(nèi)核主要功能上與Linux操作系統(tǒng)沒有本質(zhì)區(qū)別，所以驅(qū)動(dòng)程序要完成的任務(wù)也一樣；只是編譯時(shí)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(jié)構(gòu)， 這些都可在Makefile文件中具體指定。當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件進(jìn)行諸如open、close、read、write等系統(tǒng)調(diào)用操作時(shí)，Linux內(nèi)核將通過file_operations結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動(dòng)程序提供的函數(shù)。例如，當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件執(zhí)行讀操作時(shí)， 內(nèi)核將調(diào)用file_operations結(jié)構(gòu)中的read函數(shù)。在系統(tǒng)平臺(tái)上對(duì)串口數(shù)碼攝像頭驅(qū)動(dòng)，首先把串口驅(qū)動(dòng)模塊靜態(tài)編譯進(jìn)內(nèi)核，使平臺(tái)支持串口;再在須使用溫度采集時(shí)，使用insmode動(dòng)態(tài)加載其驅(qū)動(dòng)模塊。這樣溫度傳感器就可正常工作了，接著進(jìn)行下一步——對(duì)溫度的采集編程。

2.2 溫度數(shù)據(jù)采集模塊

　　在溫度變送器串口被驅(qū)動(dòng)后，需要再編寫一個(gè)采集溫度的應(yīng)用程序。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)特征，先在宿主機(jī)上流程編寫應(yīng)用程序；再使用交叉編譯器進(jìn)行編譯、鏈接，生成目標(biāo)平臺(tái)的可執(zhí)行文件。宿主機(jī)與目標(biāo)板通信采用打印終端的方式進(jìn)行交叉調(diào)試， 成功后移植到目標(biāo)平臺(tái)。編寫采集程序是在安裝Linux操作系統(tǒng)的宿主PC機(jī)上進(jìn)行的，其程序流程如圖3所示。

圖3溫度數(shù)據(jù)采集程序

　　程序運(yùn)行流程如下：

　　① 初始化設(shè)備功能，發(fā)送03H給溫度變送器。如果初始化失敗，則重復(fù)發(fā)送初始化功能碼2次，若都失敗則返回；若成功則進(jìn)入下一步。
　　② 進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢，查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設(shè)備要實(shí)現(xiàn)何種功能。數(shù)據(jù)段包含了從設(shè)備要實(shí)現(xiàn)功能的任何附加信息，即讀取或修改的起始地址以及數(shù)據(jù)數(shù)量。CRC校驗(yàn)為從設(shè)備提供了一種驗(yàn)證消息內(nèi)容是否正確的方法。
　?、?如果從設(shè)備產(chǎn)生一個(gè)正常的響應(yīng)，則響應(yīng)消息中的功能代碼是查詢消息中的功能代碼的回應(yīng)。數(shù)據(jù)段包括了從設(shè)備收集的數(shù)據(jù)。如果有錯(cuò)誤發(fā)生，則從設(shè)備將修改功能代碼以表明此回應(yīng)是一個(gè)異常的回應(yīng)；同時(shí)數(shù)據(jù)段中包含相應(yīng)的錯(cuò)誤代碼，CRC校驗(yàn)用于主設(shè)備判斷響應(yīng)幀內(nèi)容的正確性。
　?、?將從設(shè)備得到的數(shù)據(jù)運(yùn)用EPA協(xié)議棧進(jìn)行數(shù)據(jù)的封裝，然后通過IEEE802.11b無線網(wǎng)卡發(fā)送到數(shù)據(jù)分析設(shè)備。
　?、?根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)的處理，將得到返回的數(shù)據(jù)，程序再將返回?cái)?shù)據(jù)寫入從設(shè)備。如果寫入失敗，則連續(xù)寫兩次，若仍失敗則跳出。

　　系統(tǒng)采用主從通信技術(shù)， S3C2410處理器模塊作為主設(shè)備，溫度傳感器作為從設(shè)備。主設(shè)備可以對(duì)溫度傳感器進(jìn)行初始化，并發(fā)出查詢指令；溫度傳感器根據(jù)主設(shè)備查詢指令實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。S3C2410處理器模塊查詢的格式包括功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)和CRC校驗(yàn)域；從設(shè)備回應(yīng)消息也包括相應(yīng)的功能代碼、任何要返回的數(shù)據(jù)和CRC校驗(yàn)域。如果在消息接收過程中發(fā)生錯(cuò)誤，從設(shè)備將構(gòu)造一錯(cuò)誤幀并將其作為應(yīng)答回應(yīng)。程序中構(gòu)造的幀格式如下：

　　主設(shè)備查詢幀

　　從設(shè)備響應(yīng)幀

　　當(dāng)主設(shè)備查詢從設(shè)備時(shí)，它希望得到從設(shè)備的正常響應(yīng)，但可能有3種處理情形：

　?、?從設(shè)備收到了主設(shè)備的查詢，且全部校驗(yàn)正確，從設(shè)備就產(chǎn)生正確的響應(yīng)。
　?、?從設(shè)備由于通信錯(cuò)誤等沒有收到主設(shè)備的查詢，因此也就無法產(chǎn)生響應(yīng)。這時(shí)主設(shè)備將通過超時(shí)判斷查詢的錯(cuò)誤。
　?、?從設(shè)備收到了主設(shè)備的查詢，但檢測(cè)出通信幀內(nèi)容出錯(cuò)（如CRC校驗(yàn)出錯(cuò)或非法的起始地址等），這時(shí)從設(shè)備將產(chǎn)生異常響應(yīng)通知主設(shè)備相關(guān)的錯(cuò)誤信息。

　　最后將采集數(shù)據(jù)用EPA協(xié)議棧打包，并利用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。

2.3 無線網(wǎng)絡(luò)模塊

　　無線溫度變換器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)模塊是將無線網(wǎng)卡注入內(nèi)核，“插槽”驅(qū)動(dòng)層通過API為PC卡服務(wù)層提供服務(wù)，編寫“插槽”層驅(qū)動(dòng)就是實(shí)現(xiàn)這些API函數(shù)。PC卡服務(wù)層維護(hù)著一張函數(shù)表，記錄已登記的“插槽”驅(qū)動(dòng)層的API函數(shù)，相應(yīng)地提供了兩個(gè)接口函數(shù)用來登記和取消登記一個(gè)“插槽”驅(qū)動(dòng)層的API函數(shù)。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(shù)register_ss_entry： 用來登記一個(gè)“插槽”驅(qū)動(dòng)層服務(wù)函數(shù)。
　　◆ 函數(shù)unregister_ss_entry： 用來取消指定函數(shù)的登記，表明“插槽”層不再提供該服務(wù)。
　　◆ 具體服務(wù)函數(shù)ss_sentry： 該函數(shù)的編寫是核心。它包括3個(gè)參數(shù)： 第1個(gè)參數(shù)sock是插槽編號(hào)；第2個(gè)參數(shù)cmd是命令，即服務(wù)函數(shù)的編碼；第3個(gè)參數(shù)是一個(gè)void類型的指針，用來傳遞任意的參數(shù)。

　　PCMCIA“卡和插槽服務(wù)”（Card and Socket Services）軟件規(guī)范要求插槽層提供的服務(wù)共有12項(xiàng)，Linux操作系統(tǒng)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(cè)試

　　首先在宿主機(jī)PC上使用交叉編譯器編譯、鏈接溫度數(shù)據(jù)采集程序，使之生成可執(zhí)行代碼，然后移植到目標(biāo)平臺(tái)上。為了進(jìn)一步觀察采集的溫度數(shù)據(jù)效果，可在目標(biāo)平臺(tái)帶網(wǎng)絡(luò)支持的基礎(chǔ)上編寫一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信程序，把采集到并處理成浮點(diǎn)型的溫度數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇C機(jī)上進(jìn)行顯示。搭建無線溫度變送器的測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示。

圖4IEEE802.11b

　　無線溫度變送器的測(cè)試系統(tǒng)無線監(jiān)控系統(tǒng)采集的基于S3C2410的IEEE802.11b無線溫度變送器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5IEEE802.11b

4 結(jié)論

　　實(shí)際的溫度測(cè)量數(shù)據(jù)表明，基于IEEE802.11b的EPA溫度數(shù)據(jù)采集器可以很好地完成溫度數(shù)據(jù)的采集處理，并通過無線接入點(diǎn)與相關(guān)設(shè)備進(jìn)行通信。另外，在基于EPA標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用中，驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)的可行性。

參考文獻(xiàn)
［1］ Tanenbaum Andrew S. Modern Operating System. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.
［2］ 鄒思軼. 嵌入式Linux設(shè)計(jì)與應(yīng)用. 北京：清華大學(xué)出版社，2002.
［3］ Karim Yagbmour. 構(gòu)建嵌入式Linux系統(tǒng). 北京：中國電力出版社， 2004.
［4］ Sloss Anddrew N. Dominic Symes. ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)——軟件設(shè)計(jì)與優(yōu)化. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.
［5］ 毛德操，胡希明. Linux內(nèi)核源代碼情景分析. 杭州：浙江大學(xué)出版社，2001.
［6］ Mark Ciampa. 無線局域網(wǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn). 北京：科學(xué)出版社，2003.
［7］ 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局. 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)“用于工業(yè)測(cè)量與控制系統(tǒng)的EPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信規(guī)范”（報(bào)批稿）. 2005.