基于Linux/Qtopia的車載溫度網(wǎng)絡采集技術

　　設計了基于QTE/Qtopia溫度測量圖形界面應用程序，實現(xiàn)了溫度網(wǎng)絡的即時測量、數(shù)據(jù)保存、高溫報警等功能，并成功應用于車載信息采集系統(tǒng)。

　　引言
　　本文在嵌入式Linux平臺上實現(xiàn)了車載信息采集系統(tǒng)的一部分——汽車常規(guī)溫度的數(shù)據(jù)采集，如采集車內(nèi)溫度、暖風或空調(diào)溫度、車外溫度、水箱溫度等。DS18B20是一種可組網(wǎng)單總線數(shù)字溫度傳感器，為信息采集提供了經(jīng)濟有效的可行方案。嵌入式Linux以其源碼開放、容易定制和擴展、多硬件平臺支持和內(nèi)置網(wǎng)絡功能等優(yōu)良性能，逐漸成為車載設備廣泛使用的系統(tǒng)平臺。本文涉及的系統(tǒng)使用三星公司的S3C2410AL20處理器,操作系統(tǒng)采用 2.6.8.1內(nèi)核Linux，GUI采用Trolltech公司的Qtopia；功能上主要實現(xiàn)：各路溫度的采集顯示、音頻報警、溫度數(shù)據(jù)的存儲、相關功能設置等。當需要語音提示或報警時，應用程序調(diào)用語音模塊；當需要存儲或顯示歷史數(shù)據(jù)時，應用程序調(diào)用SD存儲模塊。

　　1 Linux系統(tǒng)開發(fā)概述
　　驅(qū)動程序的開發(fā)是嵌入式Linux開發(fā)的主要任務之一。設備驅(qū)動為上層應用程序提供控制硬件的設備接口，同時直接與Linux內(nèi)核打交道。圖1描述了Linux系統(tǒng)開發(fā)框架。

圖1 Linux系統(tǒng)開發(fā)框架

　　應用程序開發(fā)是嵌入式Linux開發(fā)的另一個主要任務。Qt/Embedded 是著名Qt 庫開發(fā)商Trolltech 公司開發(fā)的面向嵌入式系統(tǒng)的Qt 版本。Qtopia是在Qt/ Embedded 庫的基礎上,專門針對PDA、SmartPhone這類運行嵌入式Linux 的移動設備和手持設備所開發(fā)的開放源碼的一套應用程序包和開發(fā)庫。它包括全套的個人信息管理PIM ( Personal Information Management) ,如地址本、日程安排、MPEG播放、圖像顯示、瀏覽器等。

　　2 車載信息系統(tǒng)及硬件平臺概述

　　車載信息采集系統(tǒng)開發(fā)主要包括用戶界面開發(fā)，內(nèi)核開發(fā)，音頻模塊設計，串口模塊設計，CAN總線模塊設計，車輛狀態(tài)（又包含開關量、模擬量、數(shù)字量等）檢測模塊設計等。

　　本設計著重實現(xiàn)一線制溫度網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)采集。一線制溫度網(wǎng)絡的溫度信號特點是：數(shù)值不高，多在0~100 ℃范圍內(nèi)；溫度信號變化較慢；系統(tǒng)對采集到的溫度信號的實時性要求不高；精度要求不高。

　　一線網(wǎng)絡的優(yōu)點在于能測量大量的物理量，所有的通信都通過一線協(xié)議，而與被測的具體量無關。一線網(wǎng)絡是能夠方便地搭建起由一線傳感器芯片組成的一系列測量環(huán)境參數(shù)的網(wǎng)絡。

　　DS18B20是一種可組網(wǎng)的單總線數(shù)字溫度傳感器，具有以下功能特點：
　?、?適應寬的電壓范圍（3.0～5.5 V），在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。
　?、?獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要1條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通信。
　　③ 溫度范圍為－55～+125 ℃，在-10～+85 ℃時精度為±0.5 ℃。
　?、?可編程的分辨率為9～12位，對應的可分辨溫度分別為0.5 ℃、0.25 ℃、0.125 ℃和0.062 5 ℃，可實現(xiàn)較高的精度測溫。

　　單總線使得硬件開銷極小，但需要相對復雜的軟件進行補償。由于DS18B20采用單總線串行數(shù)據(jù)傳送，保證嚴格的讀寫時序成為測溫關鍵,因此沒有采用I/O驅(qū)動，而是單獨編寫一線制溫度網(wǎng)絡驅(qū)動。

　　本設計采用寄生電源連接方式，12位分辨率。寄生電源的優(yōu)點為：遠程溫度檢測無需本地電源；缺少正常電源條件下也可以讀ROM。為確保 DS18B20在其有效變換期內(nèi)得到足夠的電源電流，在I/O線上通過MOSFET提供強的上拉（如圖2所示）。當使用寄生電源方式時，VDD引腳必須連接到地。

　　系統(tǒng)核心控制器S3C2410X是三星公司基于ARM920T核的芯片。S3C2410X集成了1個LCD控制器(支持STN和TFT帶有觸摸屏的液晶顯示屏)、SDRAM、觸摸屏、USB、SPI、SD和MMC等控制器,4個具有PWM功能的計時器和1個內(nèi)部時鐘,8通道的10位 ADC,117位通用I/O口和24位外部中斷源,8通道10位AD控制器,處理器工作頻率最高達到203 MHz。系統(tǒng)顯示采用SHARP 3.5 in的TFT_LCD液晶顯示屏。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 信息采集系統(tǒng)及部分電路連接原理

　　3 驅(qū)動實現(xiàn)
　　本節(jié)將實現(xiàn)一線制溫度傳感器網(wǎng)絡的驅(qū)動模塊。驅(qū)動從總體上看分為兩部分：驅(qū)動與內(nèi)核接口層、硬件設備接口層。
3.1 驅(qū)動與內(nèi)核接口層
　　驅(qū)動與內(nèi)核接口層主要完成驅(qū)動模塊在Linux內(nèi)核的注冊加載、卸載清除工作。這部分工作分別由初始化和退出函數(shù)完成。
　?、?初始化函數(shù)完成驅(qū)動模塊加載：

　?、?退出函數(shù)完成驅(qū)動模塊卸載：

　　3.2 硬件設備接口層
　　硬件設備接口層用來描述驅(qū)動程序與設備的交互。這些工作通過虛擬文件系統(tǒng)與設備驅(qū)動程序的接口實現(xiàn)。這個接口由file_operation結構定義，其結構如下：

　　3.2.1 打開設備函數(shù)
　　打開設備函數(shù)主要完成設備的初始化。

　　

在使用內(nèi)核定時器之前需定義一個定時器結構體 static struct timer_list CycleTimer。下面是定時器的具體操作：

　　3.2.2 讀接口函數(shù)
　　用戶程序執(zhí)行讀操作的時候可能沒有可以讀取的數(shù)據(jù)，此時需要讓read操作等待直到有數(shù)據(jù)可以讀取。在此采用等待隊列使進程在無數(shù)據(jù)讀取時進入等待，數(shù)據(jù)到達時喚醒。等待隊列設置成一個循環(huán)緩沖區(qū)，每放入一個新數(shù)據(jù)作為緩沖區(qū)的頭，存放時間最久還未被取走的數(shù)據(jù)為緩沖區(qū)的尾。

　　3.2.3 fasync異步通知函數(shù)
　　異步通知函數(shù)向進程發(fā)送SIGIO信號，通知訪問設備的進程，表示設備已經(jīng)準備好I/O讀寫了，避免主動查詢，提高程序效率。使用異步通知需增加一個struct fasync_struct的結構指針，然后實現(xiàn)fasync接口函數(shù)。

　　最后在需要向用戶空間通知的地方調(diào)用內(nèi)核的kill_fasync函數(shù)。在打開設備函數(shù)中提到的DS18B20Event()功能是：將數(shù)據(jù)放入循環(huán)緩沖區(qū)，喚醒等待隊列并啟動異步通知，其后兩項功能是這樣實現(xiàn)的：

　　3.2.4 poll系統(tǒng)調(diào)用操作接口函數(shù)
　　當程序需要進行對多個文件讀寫時，如果某個文件沒有準備好，則系統(tǒng)就會處于讀寫阻塞的狀態(tài)，影響其他文件的讀寫。為了避免讀寫阻塞，使用poll函數(shù)。如果設備無阻塞地讀，就返回POLLIN； 通常的數(shù)據(jù)已經(jīng)準備好，可以讀了，就返回POLLRDNORM。

　　3.2.5 release釋放設備函數(shù)

　　寫接口函數(shù)用來通知驅(qū)動。例如通知驅(qū)動讀取通道2的數(shù)據(jù)，在應用程序中執(zhí)行寫接口函數(shù)write（fileno,SLOT2,1），驅(qū)動設置當前讀通道號為2。

　　至此完成驅(qū)動接口函數(shù)。此驅(qū)動屬于字符設備驅(qū)動，將源程序放在driver/char 目錄下。同時需要修改該目錄下的Kconfig配置文件并添加 Config 18B20_S3C2410選項，修改driver/char/Makefile，添加obj$(CONFIG_18B20_S3C2410) +=S3C2410_18B20.O。最后重新配置內(nèi)核，將驅(qū)動以模塊形式添加到內(nèi)核，這樣就可以編譯驅(qū)動了。

　　4 Qtopia應用程序設計
　?。?） 創(chuàng)建工程
　　首先利用QT Designer設計器創(chuàng)建一個窗體應用程序ThermometeRFigure.ui。窗體程序創(chuàng)建好后根據(jù)需要添加窗體控件、槽函數(shù)、信號等。圖3為ThermometerFigure類的實現(xiàn)框圖。

圖3 ThermometerFigure類的實現(xiàn)框圖

　?。?） ThermometerFigure類實現(xiàn)
　　利用uic工具產(chǎn)生相應的*.cpp和*.h文件（窗體類的實現(xiàn)文件和頭文件）。編輯*.cpp和*.h文件實現(xiàn)各成員函數(shù)、信號槽的連接。具體實現(xiàn)如圖3所示。

3） 創(chuàng)建main及初始化

　　首先創(chuàng)建main.cpp文件，并在main.cpp 中創(chuàng)建QApplication 對象。QApplication 類負責圖像用戶界面應用程序的控制流和主設置，對所有來自系統(tǒng)和其他源文件的事件進行處理和調(diào)度；還包括應用程序的初始化和結束。

　?。?） 編輯*.pro文件并生成Makefile

　　利用progen工具創(chuàng)建Thermometer.pro，具體實現(xiàn)如下：

　　執(zhí)行qmake命令生成Makefile文件，執(zhí)行之前要設置相關的環(huán)境變量，編譯器路徑等。
　　qmakeo Makefile Thermometer.pro

　　（5） 編譯鏈接工程
　　執(zhí)行make命令，將生成目標二進制文件Thermometer，此文件即可在設備上運行。

　?。?） 將可執(zhí)行文件發(fā)布到Linux系統(tǒng)
　　將可執(zhí)行文件添加到Qtopia的根文件系統(tǒng)中，將生成的新的根文件系統(tǒng)燒寫到設備的Flash根文件系統(tǒng)區(qū)，這樣就可以在桌面運行程序了。圖4為 ThermometeRFigure類實現(xiàn)界面。

圖4 ThermometerFigure類實現(xiàn)界面

　　結語
　　本文介紹了車載信息系統(tǒng)開發(fā)的部分實現(xiàn)方法。通過實例講述了Linux的開發(fā)過程，包括驅(qū)動開發(fā)和應用程序開發(fā)流程。創(chuàng)新點在于將一線制傳感器網(wǎng)絡引入車載信息采集系統(tǒng)，大大簡化了線路結構，有很高的實用價值。
　　參考文獻
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