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基于ARM uCLinux的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

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作者:任海剛 孟克 時間:2007-07-26 來源:電子元器件應用 收藏

  隨著網(wǎng)絡和通信技術的發(fā)展,系統(tǒng)現(xiàn)已進入高速發(fā)展階段。并在社會各個領域得到了廣泛的應用。本文介紹了一種采用ARM+uCLinux作為開發(fā)平臺。實現(xiàn)基于TCP/IP的遠程系統(tǒng)監(jiān)控.從而取代傳統(tǒng)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、預處理和通信功能;并依靠互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)向上位機傳送,同時支持遠端客戶對設備進行遠程控制,從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能的具體方法。

  1 系統(tǒng)平臺的構建

  本系統(tǒng)由平臺服務器、前端控制器、前端傳感器、客戶端和配置PC 組成。開發(fā)時可通過配置PC來下載系統(tǒng)和應用軟件。系統(tǒng)平臺能夠收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)。并傳送到遠端客戶機,之后由遠端客戶機對數(shù)據(jù)進行處理,接著發(fā)送控制信號給系統(tǒng)服務器,以便通過前端控制器對設備進行遠程控制。其系統(tǒng)結構如圖1所示。

  1.1 硬件開發(fā)平臺

  該系統(tǒng)的硬件開發(fā)平臺可選擇SmartARM2200。該嵌入式設備的核心是ARM7TDMI的LPC2210.開發(fā)板自身具有A/D轉換器和多個GPIO(通用I/O)口,可對工業(yè)現(xiàn)場的各種設備、儀表進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。使用時,只要將相應的傳感器信號接入控制器的端口即可。其開發(fā)板系統(tǒng)的硬件配置如圖2所示。

  1.2 uCLinux操作系統(tǒng)

  操作系統(tǒng)是嵌入式設備軟件的核心部分。本系統(tǒng)采用 uCLinux系統(tǒng)平臺來完成對硬件系統(tǒng)的管理和維護。uCLinux是廣泛應用于微控制領域的一種嵌入式Linux操作系統(tǒng)。它通過對標準Linux內(nèi)核的裁減,可去除虛擬內(nèi)存管理部分代碼,以對內(nèi)存分配進行優(yōu)化。從而達到提高系統(tǒng)運行效率的目的。uCLinux則可經(jīng)過各方面的小型化改造形成一個高度優(yōu)化、代碼緊湊的嵌入式Linux,它保留了Linux的大多數(shù)優(yōu)點,包括穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡功能、完備的文件系統(tǒng)支持、豐富的API等。

  1.3 uCLinux在ARM平臺上的移植

  若將uCLinux移植到SmartARM2200上,需要進行以下四個步驟:

  (1)下載源碼,建立交叉編譯環(huán)境

  uCLinux是自由軟件(完全開放代碼)。用戶可以直接從http://www.uclinux.org/pub/uclinux處下載源代碼并安裝到Red Hat9.0系統(tǒng)下,以便正常在Red Hat9.0建立起交叉編譯環(huán)境。

  (2)配置和編譯內(nèi)核

  進入到安裝好的uCLinux目錄,依次執(zhí)行下面的命令:

  make menuconfig;進入配置菜單后,選擇Vendor/Product(廠商/產(chǎn)品)下的PHILIPS/lpc2200;用Kernel Version(內(nèi)核版本)選擇Linux-2.4.x,Libc Version(函數(shù)庫版本)選擇uClibc:其余內(nèi)核和應用程序選項可根據(jù)情況選擇。

      make dep

      make clean

      make lib_only

      make user_only

      make romfs

      make image

      make

  編譯結束后會在uCLinux安裝目錄下生成romfs.img文件,利用它可以制作RAM Disk,然后在linux-2.4.X目錄下生成elf格式的Linux內(nèi)核文件,并以下列方式將其轉換成bin格式:

      #arm-elf-objcopy-O binary linux linux.bin

  從而生成下載用的uCLinux內(nèi)核鏡像文件linux.bin。

  (3)制作Ram Disk掛栽根文件系統(tǒng)

  首先創(chuàng)建一個512 kB的虛擬磁盤,并將虛擬磁盤文件格式轉化成ext2格式:

      dd if/dev/zero of="initrd".img bs="1024" count="512"

      mkfs.ext2-c init.img

  然后將init.img和romfs.img加載到主機文件系統(tǒng)上,并在RAM中建立需要的目錄:/bin,/dev,/etc,/var,進而拷貝ROM中的文件到ram目錄中。

  下來在RAM盤dev目錄下創(chuàng)建設備節(jié)點:

      #mknod ram/dev/ttyS0 c 4 64

      #mknod ram/dev/console c 5 1

  最后卸載init.img和romfs.img,并應確保init.img修改已保存,至此,RAM DISK便創(chuàng)建完成。


  (4)下載內(nèi)核和文件系統(tǒng)

  正確設置主板啟動選擇跳線。主板加電后,在超級終端上便可以看到BootLoader引導信息,可選擇默認的FTP連接,并使用BootLoader默認的 IP進行下載,然后啟動gftp,輸入主板默認的IP和端口號。這樣,linux主機就可以和主機連接,最后選擇需要下載的Linux內(nèi)核文件和RAM盤及相關的配置文件即可。

  2 監(jiān)控系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

  監(jiān)控系統(tǒng)主要由3個部分組成:數(shù)據(jù)采集部分,設備控制部分,數(shù)據(jù)傳輸部分。數(shù)據(jù)采集部分可對傳感器信號進行A/D轉換,并對采集到的數(shù)據(jù)進行簡單的處理,同時提供調(diào)整運行參數(shù)的接口。數(shù)據(jù)傳輸部分可將采集的數(shù)據(jù)傳送到遠端的主機,并接收遠端主機的控制信息。遠端主機則對傳輸過來的遠程數(shù)據(jù)進行處理、存儲和顯示,并可以修改數(shù)據(jù)采集部分的參數(shù)以控制數(shù)據(jù)采集,同時依據(jù)采集到的數(shù)據(jù)對設備發(fā)出操作指令,或對遠端的設備進行控制,從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。

  2.1 數(shù)據(jù)采集

  使用A/D轉換設備前,首先要創(chuàng)建設備節(jié)點,并加載ADC驅動,然后通過open()和close()將其打開和關閉.主要的數(shù)據(jù)采集程序如下:

      ……

      ioctl(fd,ADC_SET_CLKDIV,(Fpclk+fadc1)/fadc-1);//設置A/D轉換速度;

      ioctl(fd,ADC_SET_BITS,10);//設置A/D轉換精度;

      while(1) {

      ad_data=0;

      read(fd,&ad_data,sizeof(ad_data));//讀取A/D轉換的值;

      ……

  2.2 GPIO設備控制

  同A/D轉換設備類似,使用GPIO也需先創(chuàng)建設備節(jié)點并加載驅動。對GPIO操作前,應通過open()打開,使用后應通過close()關閉。

  首先。選定開發(fā)板上沒有使用過的GPIO端口,設定其輸入/輸入狀態(tài),然后根據(jù)客戶端返回的信息對端口進行操作,輸出0/1的電平,以使其外部連接的繼電器動作。從而控制設備的運轉。程序主要通過函數(shù)ioctl來實現(xiàn)。ioctl是設備驅動程序中對設備的I/O通道進行管理的函數(shù),通過它可對設備的一些特性進行控制.其函數(shù)原形為:

      int ioctl(int fd,ind cmd,…);

  其中,fd是用程序打開設備時,使用open函數(shù)返回的文件標示符;cmd是用戶程序對設備的控制命令;至于后面的省略號,則是一些補充參數(shù)(一般最多一個,有或沒有是和cmd的意義相關的)。在這里,可通過如下一組函數(shù)來實現(xiàn):

      ioctl(fd1,GPIO_SET_PIN_IN,devicel);

      //設置管角為輸出狀態(tài);

      ioctl( fd2, GPIO_SET_PIN_OUT, devicel_state);

      //設置管角為輸入狀態(tài);

      ioctl(fd2,GPIO_READ_PIN,&devicel_state);

      //讀取設備狀態(tài)管角;

      ioctl(fd1,GPIO_CLR_PIN,device);

      //清除設備管角控制信號;

  2.3 網(wǎng)絡通信程序

  網(wǎng)絡通信程序可使用TCP/IP協(xié)議下標準的socket套接字編寫。套接字(socket)是網(wǎng)絡通信的基本操作單元。它提供了不同主機間進程雙向通信的端點。這些進程在通信前應各自建立一個socket,并通過對 socket的讀/寫操作實現(xiàn)網(wǎng)絡通信功能。常用的套接字有兩種:流式套接字(Stream Socket)和數(shù)據(jù)報套接字(Datagram Socket)。其中,流式套接字是可靠的面向連接的通信數(shù)據(jù)流,是無錯誤的傳輸;而數(shù)據(jù)報套接字則使用UDP來傳送數(shù)據(jù)包,數(shù)據(jù)包的順序是沒有保障的。本系統(tǒng)采用流式套接字進行程序設計。

  流式套接字的服務進程和客戶進程建立連接及通信的程序流程如圖3所示。現(xiàn)具體說明如下:

 

  (1)服務進程首先調(diào)用socket()創(chuàng)建一個流式套接字,并調(diào)用bind()將服務器地址捆扎在該套接字上,接著調(diào)用listen()監(jiān)聽連接請求,隨后調(diào)用accept()做好與客戶進程建立連接的準備。無連接請求時,服務進程被阻塞;
 
  (2)客戶進程先調(diào)用socket()創(chuàng)建流式套接字,然后調(diào)用connect()向服務進程發(fā)出連接請求;

  (3)當連接請求到來后,服務進程被喚醒,并生成一個新的流式套接字。同時用新套接字同客戶進程的套接字建立連接,而服務進程最早生成的套接字則繼續(xù)用于監(jiān)聽網(wǎng)絡上的服務請求;

  (4)服務進程和客戶進程通過調(diào)用send()和recv()來交換數(shù)據(jù),服務器可向客戶端傳送所收集的數(shù)據(jù)??蛻舳藙t向服務器反饋控制信息和參數(shù)調(diào)整信息;

  (5)服務進程或客戶進程可通過調(diào)用close()來撤消套接字并中斷連接。

  服務器端的程序通過交叉編譯環(huán)境編譯后??赏ㄟ^NFS(網(wǎng)絡文件系統(tǒng))下載到開發(fā)板中,然后手動加入到rc引導文件中。即可實現(xiàn)開機自動運行。

  3 結束語

  基于ARM和CLinux代表了目前嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展方向。嵌 入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡技術和控制技術相結合.是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。本文討論了基于ARM+uCLinux平臺的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)方法。并對該平臺下應用 TCP/IP協(xié)議進行網(wǎng)絡通信進行了探討。該方法對于自動化樓宇、工業(yè)控制、智能家居等方面都有一定的借鑒意義。

linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解(linux不再難懂)

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