基于Linux/Qtopia的車載溫度網(wǎng)絡(luò)采集

摘要 本文將一線制溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)引入車載信息采集系統(tǒng)，介紹了嵌入式Linux下一線制溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)核驅(qū)動模塊實(shí)現(xiàn)過程；設(shè)計(jì)了基于QTE/Qtopia溫度測量圖形界面應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了溫度網(wǎng)絡(luò)的即時(shí)測量、數(shù)據(jù)保存、高溫報(bào)警等功能，并成功應(yīng)用于車載信息采集系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞  車載信息采集  嵌入式Linux  Qtopia  一線網(wǎng)絡(luò)  溫度網(wǎng)絡(luò)采集  DS18B20

引言

　　本文在嵌入式Linux平臺上實(shí)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(fēng)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(jì)有效的可行方案。嵌入式Linux以其源碼開放、容易定制和擴(kuò)展、多硬件平臺支持和內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)功能等優(yōu)良性能，逐漸成為車載設(shè)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(shí)現(xiàn)：各路溫度的采集顯示、音頻報(bào)警、溫度數(shù)據(jù)的存儲、相關(guān)功能設(shè)置等。當(dāng)需要語音提示或報(bào)警時(shí)，應(yīng)用程序調(diào)用語音模塊；當(dāng)需要存儲或顯示歷史數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)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(wù)之一。設(shè)備驅(qū)動為上層應(yīng)用程序提供控制硬件的設(shè)備接口，同時(shí)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(yīng)用程序開發(fā)是嵌入式Linux開發(fā)的另一個(gè)主要任務(wù)。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(chǔ)上,專門針對PDA、SmartPhone這類運(yùn)行嵌入式Linux 的移動設(shè)備和手持設(shè)備所開發(fā)的開放源碼的一套應(yīng)用程序包和開發(fā)庫。它包括全套的個(gè)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(shè)計(jì)，串口模塊設(shè)計(jì)，CAN總線模塊設(shè)計(jì)，車輛狀態(tài)（又包含開關(guān)量、模擬量、數(shù)字量等）檢測模塊設(shè)計(jì)等。

　　本設(shè)計(jì)著重實(shí)現(xiàn)一線制溫度網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集。一線制溫度網(wǎng)絡(luò)的溫度信號特點(diǎn)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(shí)時(shí)性要求不高；精度要求不高。

　　一線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)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(guān)。一線網(wǎng)絡(luò)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(luò)。

　　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(diǎn)：

　?、?適應(yīng)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(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要1條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通信。
　?、?溫度范圍為－55～+125 ℃，在-10～+85 ℃時(shí)精度為±0.5 ℃。
　?、?可編程的分辨率為9～12位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5 ℃、0.25 ℃、0.125 ℃和0.062 5 ℃，可實(shí)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(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償。由于DS18B20采用單總線串行數(shù)據(jù)傳送，保證嚴(yán)格的讀寫時(shí)序成為測溫關(guān)鍵,因此沒有采用I/O驅(qū)動，而是單獨(dú)編寫一線制溫度網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動。

　　本設(shè)計(jì)采用寄生電源連接方式，12位分辨率。寄生電源的優(yōu)點(diǎn)為：遠(yuǎn)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(qiáng)的上拉（如圖2所示）。當(dāng)使用寄生電源方式時(shí)，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(gè)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(gè)具有PWM功能的計(jì)時(shí)器和1個(gè)內(nèi)部時(shí)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(dá)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(shí)現(xiàn)

　　本節(jié)將實(shí)現(xiàn)一線制溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shè)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：

static int __init DS18B20_init(void){
　　……
　　register_chrdev(DS18B20_MAJOR,DEVICE_NAME, &DS18B20_fops);//完成設(shè)備注冊
　　#ifdefCONFIG_DEVFS_FS//創(chuàng)建設(shè)備文件系統(tǒng)
　　　　devfs_mk_cdev(MKDEV(DS18B20_MAJOR,0),S_IFCHR | S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP,DEVICE_NAME);
　　#endif
　　……
}

　?、?退出函數(shù)完成驅(qū)動模塊卸載：

static void __exit DS18B20_exit(void) {
　　#ifdef CONFIG_DEVFS_FS
　　　　devfs_remove(DEVICE_NAME);//移除設(shè)備文件
　　#endif
　　unregister_chrdev(DS18B20_MAJOR,DEVICE_NAME); //完成設(shè)備注銷
　　……
}

3.2  硬件設(shè)備接口層

　　硬件設(shè)備接口層用來描述驅(qū)動程序與設(shè)備的交互。這些工作通過虛擬文件系統(tǒng)與設(shè)備驅(qū)動程序的接口實(shí)現(xiàn)。這個(gè)接口由file_operation結(jié)構(gòu)定義，其結(jié)構(gòu)如下：

static struct file_operations DS18B20_fops ={
　　.owner=THIS_MODULE, //指向擁有該結(jié)構(gòu)的模塊，內(nèi)核使用該結(jié)構(gòu)維護(hù)模塊使用計(jì)數(shù)
　　.open=DS18B20_open, //打開設(shè)備函數(shù)
　　.read=DS18B20_read, //讀接口函數(shù)
　　.write=DS18B20_write,//寫接口函數(shù)
　　.fasync=DS18B20_fasync, //異步通知函數(shù)
　　.poll=DS18B20_poll,//poll函數(shù)
　　.release=DS18B20_release, //釋放設(shè)備函數(shù)
};

3.2.1  打開設(shè)備函數(shù)

　　打開設(shè)備函數(shù)主要完成設(shè)備的初始化。

DS18B20_open(struct inode *inode,struct file *filp) {
　　Initial_Timer( );//初始化定時(shí)器，使內(nèi)核模塊按一定周期讀溫度
　　Initial_Device_DS18B20();//初始化硬件
　　readtemperature();//開始讀取……
}
void readtemperature(void) {
　　……Temperature=DS18B20read();//讀取2個(gè)8位數(shù)據(jù)，此函數(shù)完成的硬件操作時(shí)序，由當(dāng)前讀通道號變量指定當(dāng)前通道
　　DS_SLOT_NO();//將本次讀通道號放入緩沖區(qū)
　　DS18B20Event();//數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)，喚醒等待隊(duì)列并啟動異步通知
　　if(ReleaseFlag)
　　CycleTimer_Delay_Soft(hdelay);//如果沒有讀停止信號，通過內(nèi)核定時(shí)器延時(shí)，進(jìn)行下一次讀，在中斷服務(wù)程序中再次啟動讀
　　……
}

　　在使用內(nèi)核定時(shí)器之前需定義一個(gè)定時(shí)器結(jié)構(gòu)體 static struct timer_list CycleTimer。下面是定時(shí)器的具體操作：

static void Initial_Timer(void) {
　　init_timer(&CycleTimer); );//初始化定時(shí)器結(jié)構(gòu)
　　CycleTimer.function=DS18B20_timer; //掛接定時(shí)中斷服務(wù)程序
}