基于Linux的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

摘要: 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是集計算機(jī)、通信及電子技術(shù)、工業(yè)控制為一體的綜合探測系統(tǒng)。本文介紹了基于嵌入式Linux 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計。為提高系統(tǒng)的實時響應(yīng)性能和多任務(wù)處理能力，在硬件上采用ARM9 微處理器技術(shù)，同時移植Linux操作系統(tǒng)，使系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性得以提高。設(shè)計中充分利用了嵌入式Linux 的特點。系統(tǒng)軟件模塊有數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)通信模塊和數(shù)據(jù)診斷模塊。將嵌入式Linux 操作系統(tǒng)引入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計中,加速了系統(tǒng)的開發(fā),方便了將來的功能擴(kuò)展,提高了觀測數(shù)據(jù)的及時性和準(zhǔn)確性,實現(xiàn)了觀測的自動化。

關(guān)鍵字: 嵌入式Linux ,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),設(shè)備驅(qū)動

　　1 嵌入式系統(tǒng)概述

　　嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng),對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng),它將操作系統(tǒng)和功能軟件集成于計算機(jī)硬件系統(tǒng)之中,簡而言之就是系統(tǒng)的應(yīng)用軟件與系統(tǒng)的硬件一體化,類似于BIOS的工作方式,具有軟件代碼小,高度自動化,響應(yīng)速度快等特點。特別適合于要求實時和多任務(wù)的體系。嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)和各個行業(yè)實際應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物。嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由兩大模塊組成:硬件平臺和軟件平臺,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　2 系統(tǒng)設(shè)計

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集任務(wù)在現(xiàn)場完成。采集系統(tǒng)設(shè)計為分布式的控制系統(tǒng),系統(tǒng)上位機(jī)與現(xiàn)場檢測下位機(jī)之間的通信基于串口。正常運(yùn)行時,現(xiàn)場下位檢測控制器完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)發(fā)送等多種任務(wù)。系統(tǒng)具有一定的自檢測、自校正能力,能將異常情況傳給PC機(jī),以便維護(hù)。為了適應(yīng)各種不同情況對焊縫自動檢測的要求,整個檢測系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計,可應(yīng)用不同的模塊組合成不同的應(yīng)用系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成如圖2所示。

　　2.1 系統(tǒng)的硬件
　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要完成實時數(shù)據(jù)采樣、保持、并送入A/D 轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號，然后
　　再對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理、保存，再通過通信接口將實時數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，同時接收監(jiān)控中心下發(fā)的各種命令。其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　該系統(tǒng)采用了Cirrus Logic公司的EP9302作為主CPU，并移植Linux操作系統(tǒng)來對任務(wù)進(jìn)行管理和調(diào)度。

　　交流采樣電路主要由采樣保持、多路開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換組成，用來保證在模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中電壓、電流的同時性，以滿足功率測量要求。本系統(tǒng)采集四相電壓及四相電流，通過多路開關(guān)分時將采樣量送入A/D轉(zhuǎn)換器。14位A/D轉(zhuǎn)換電路采用Analog Devices的AD7865，AD7865 是四通道高速A/D轉(zhuǎn)換器，其電路輸出具有三態(tài)鎖存功能。

　　通信電路由SJA1000芯片、光耦電路和總線驅(qū)動器組成。SJA1000的AD0?AD7連接到系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線上，為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0并不是直接82C250 的TXD和RXD相連，而是通過高速光耦合器6N137與82C250相連，這樣就很好地實現(xiàn)了總線上各CAN 節(jié)點間的電氣隔離。光耦部分電路所采用的2個電源Vcc和Vdd必須完全隔離，可采用小功率電源隔離模塊或帶多個5V隔離輸出的開關(guān)電源模塊實現(xiàn)。這部分增加了接口電路的復(fù)雜性，但卻提高了節(jié)點的穩(wěn)定性和安全性。

　　2.2 系統(tǒng)的軟件

　　軟件的設(shè)計是在操作系統(tǒng)上實現(xiàn)的,嵌入式操作系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心。針對本系統(tǒng)的特點,軟件平臺采用多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)Linux來實現(xiàn),改變了傳統(tǒng)的在類似硬件平臺下采用MSDOS單用戶、單任務(wù)操作系統(tǒng)難以完成較為復(fù)雜的分布式多任務(wù)應(yīng)用的缺點。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,Linux系統(tǒng)可以同時處理多個傳感器發(fā)送來的較為復(fù)雜的控制任務(wù),從而提高系統(tǒng)的

　　整體響應(yīng)速度及并發(fā)處理能力。構(gòu)成嵌入式Linux系統(tǒng)至少需要下面3個基本元素：引導(dǎo)程序、Linux微內(nèi)核和初始化進(jìn)程。如果要讓它有更多的功能, 還可加上文件系統(tǒng)、GUI和設(shè)計精簡的應(yīng)用程序,并將其放在diskonchip中啟動。

　　2.2.1 內(nèi)核的裁減編譯與啟動

　　微型計算機(jī)的存儲空間較小, 而標(biāo)準(zhǔn)Linux是面向PC 的,需要對Linux 內(nèi)核進(jìn)行裁減。對一些可獨立加上或卸下的功能塊,可在編譯內(nèi)核時僅保留嵌入式系統(tǒng)所需的功能支持模塊, 刪除不需要的功能。為了滿足一定的實時性要求,需屏蔽內(nèi)核的虛擬內(nèi)存管理機(jī)制來增強(qiáng)的Linux實時性。系統(tǒng)中微機(jī)主板屬于X86體系結(jié)構(gòu),兼容一般桌面PC的Linuxi386版本。這

　　樣,我們可以直接使用X86體系的編譯器對Linux核心源代碼直接進(jìn)行編譯及裁剪,并避免了對Linux 核心源代碼中涉及CPU的部分模塊以及內(nèi)存管理模式模塊的修改。增加了文件系統(tǒng)和GUI根據(jù)系統(tǒng)需要,文件系統(tǒng)應(yīng)包括: 基本文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、基本應(yīng)用程序、基本配置文件、基本設(shè)備/dev/hd* 和/dev/tty*、基本程序運(yùn)行所需的函數(shù)庫。GUI 是軟件可視化設(shè)計不可

　　缺少的,也為將來的現(xiàn)場檢修維護(hù)提供可視化的界面。編寫Linux的引導(dǎo)代碼, 將diskonchip作為系統(tǒng)的啟動設(shè)備,引導(dǎo)代碼放在diskonchip上。系統(tǒng)加電后,由引導(dǎo)代碼進(jìn)行基本的硬件初始化,然后把內(nèi)核經(jīng)映像裝入內(nèi)存運(yùn)行。

　　2.2.2 設(shè)備驅(qū)動程序

　　系統(tǒng)需要對I/O口、串口編寫設(shè)備驅(qū)動程序。設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核與硬件之間的接口,屬于內(nèi)核的一部分,主要功能應(yīng)包含:對設(shè)備初始化或釋放、把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件及從硬件讀取數(shù)據(jù)、讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請求的數(shù)據(jù)、監(jiān)測和處理設(shè)備出現(xiàn)的異常。

　　設(shè)備驅(qū)動程序的實質(zhì)就是中斷處理。Linux中斷處理程序分為上半部和下半部。上半部即一般的中斷服務(wù)程序, 由硬件中斷觸發(fā),一般運(yùn)行在關(guān)中斷的方式下,應(yīng)當(dāng)盡可能短小,處理盡可能快；下半部運(yùn)行在開中斷和任務(wù)串行化的環(huán)境下,處理需較長時間的任務(wù)。驅(qū)動程序上半部在處理完實時性很強(qiáng)的任務(wù)后,用queue_task函數(shù)將下半部處理函數(shù)掛入立即隊列, 并用mark_bh函數(shù)來激活立即隊列,下半部就可以最優(yōu)先地被執(zhí)行。

　　用戶進(jìn)程是通過設(shè)備文件與硬件打交道,對設(shè)備文件的操作方式是系統(tǒng)調(diào)用,由file_operations結(jié)構(gòu)實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用。這個結(jié)構(gòu)的每一個成員的名字都對應(yīng)著一個系統(tǒng)調(diào)用。用戶進(jìn)程對設(shè)備文件進(jìn)行操作時,系統(tǒng)調(diào)用通過設(shè)備文件的主設(shè)備號找到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序,然后讀取這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的函數(shù)指針,接著把控制權(quán)交給該函數(shù)。這就是Linux 設(shè)備驅(qū)動程序工作的基本原理。編寫設(shè)備驅(qū)動程序的主要工作就是編寫子函數(shù),并填充file_operations的各個域。

　　設(shè)備驅(qū)動程序以模塊方式加入內(nèi)核,在init_module模塊中,當(dāng)檢查設(shè)備存在后,用request_irq函數(shù)為設(shè)備申請系統(tǒng)中空閑的中斷,用kmalloc為設(shè)備驅(qū)動程序申請輸入輸出緩存隊列, 如果申請成功, 用regis2ter_chrdev函數(shù)將設(shè)備驅(qū)動程序注冊到系統(tǒng)中,加載完成。在clearup_module模塊中,先用free_irq函數(shù)釋放申請到的中斷,然后用kfree函數(shù)釋放申請到的內(nèi)存空間,最后用unregister_chrdev函數(shù)釋放注冊的設(shè)備驅(qū)動程序。