基于IEEE802.11b的EPA溫度變送器設(shè)計(jì)

 摘要：介紹一種基于IEEE80211b的EPA溫度變送器的設(shè)計(jì)方案，闡述系統(tǒng)硬件和軟件結(jié)構(gòu)，說明嵌入式Linux系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)過程。系統(tǒng)以S3C2410為核心器件，可以很好地完成溫度數(shù)據(jù)的采集處理，并可以通過IEEE80211b接入點(diǎn)與相關(guān)設(shè)備進(jìn)行通信，且在基于EPA標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)系統(tǒng)中進(jìn)行了測(cè)試。

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(kù)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：

　?、?nbsp;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。 
　?、?nbsp;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。 
　　④ 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。
　?、?nbsp;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： 

　?、?nbsp;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)。
　?、?nbsp;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。
　?、?nbsp;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。

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出處：《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》