嵌入式系統(tǒng)中實(shí)時(shí)時(shí)問的獲取

摘要：針對在嵌入式系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)重啟或異常斷電的情況下，實(shí)時(shí)時(shí)間信息丟失的問題，本文提出了兩種獲取實(shí)時(shí)時(shí)間的方法：時(shí)鐘芯片方法和GPS方法。時(shí)鐘芯片方法中以DSl302為例，介紹了它在嵌入式系統(tǒng)中的軟硬件設(shè)計(jì)。GPS方法中使用GPS接收機(jī)接收衛(wèi)星信號，然后將符合NMEA—0183協(xié)議的格式化數(shù)據(jù)通過串口送往嵌入式系統(tǒng)，再通過軟件提取數(shù)據(jù)中的時(shí)間信息。
關(guān)鍵字：嵌入式系統(tǒng)；實(shí)時(shí)時(shí)間；時(shí)鐘芯片；DSl302；GPS

O 引言
    許多長時(shí)間無人值守的監(jiān)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)到來的時(shí)刻是不可預(yù)知的，數(shù)據(jù)及其出現(xiàn)時(shí)的時(shí)間信息要一并記錄下來，以便后期的處理和查閱。在智能交通系統(tǒng)中，以交叉路口的闖紅燈自動抓拍系統(tǒng)為例，系統(tǒng)抓拍的闖紅燈車輛的圖片中就要包含抓拍的時(shí)間信息，以作為日后交警進(jìn)行違規(guī)處罰的有力證據(jù)。以往的自動抓拍系統(tǒng)都是用工控機(jī)搭建的，在其工控主板上有時(shí)鐘芯片和板載電池，即使斷電也不會丟失實(shí)時(shí)時(shí)間信息。但是，作為硬件資源豐富的通用型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，在具體的控制系統(tǒng)中，往往會有許多硬件資源被閑置，使得成本偏高。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展和逐步成熟，為了節(jié)約成本和提高系統(tǒng)的可靠性，大有用嵌入式取代通用型工控機(jī)的趨勢。這就提出了一個(gè)問題：在嵌入式系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)時(shí)間從何獲得。
    本文將給出兩種在嵌入式系統(tǒng)中獲取實(shí)時(shí)時(shí)間的設(shè)計(jì)方法：使用時(shí)鐘芯片方法和使用GPS接收機(jī)方法。

1 使用時(shí)鐘芯片獲取實(shí)時(shí)時(shí)間
    在這種方案中，實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片以美國DALLAS公司推出的DSl302芯片為例，嵌入式平臺選用ATMEL的基于ARM920T內(nèi)核的AT9lRM9200微處理器配以Linux一2．6．13嵌入式操作系統(tǒng)。
1．1 時(shí)鐘芯片概述
    DIP封裝的DSl302共有8個(gè)引腳，Vccl和Vcc2分別是主電源引腳和備用電源引腳，當(dāng)Vcc2>Vccl+0．2V時(shí)，由備用電源向時(shí)鐘芯片供電。X1、X2是晶振連接引腳。GND接地。剩下的三個(gè)引腳用于與微控制器通信，它們是RST、SCLK、I／O。
    DSl302內(nèi)部有31字節(jié)的靜態(tài)RAM可用于記錄重要數(shù)據(jù)、共有12個(gè)寄存器其中有7個(gè)用于存儲時(shí)間和日期。更為詳細(xì)的資料，可以參考DSl302的芯片手冊。下面就DSl302讀寫操作中應(yīng)注意的幾點(diǎn)列舉如下：
    1、所有的數(shù)據(jù)傳送均是以發(fā)送8位的指令字節(jié)開始。指令字節(jié)的最高有效位(位7)必須是邏輯l，如果它為O，則不能把數(shù)據(jù)寫入到DSl302中。
    2、RST輸入引腳的兩種功能：(1)接通控制邏輯，允許地址／命令序列送入移位寄存器：(2)提供了終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)傳送的手段。當(dāng)RST為高電平時(shí)，所有的數(shù)據(jù)傳送使能，允許對DSl302進(jìn)行操作。如果在傳送過程中RST被置為低電平，則會立即終止此次數(shù)據(jù)傳送，并且I／0引腳變?yōu)楦呓M態(tài)。
    3、當(dāng)把RST驅(qū)動至邏輯l時(shí)，SCLK必須為邏輯0。
1．2 硬件電路設(shè)計(jì)
    DSl302采用雙電源方式，系統(tǒng)正常工作時(shí)由板載電源統(tǒng)一供電，當(dāng)系統(tǒng)斷電或復(fù)位時(shí)由板載電池供電，以保證時(shí)鐘芯片始終處于運(yùn)行狀態(tài)。
    微控制器AT9lRM9200的PBO、PBl0、PBll三個(gè)引腳用于與時(shí)鐘芯片進(jìn)行同步串行通信，因?yàn)檫@三個(gè)引腳在AT9lRM9200內(nèi)部都是多功能復(fù)用的，所以在DSl302設(shè)備驅(qū)動程序的初始化代碼中首先要把它們配置成通用I／O口。關(guān)于晶體振蕩器，DS1302的芯片資料指出：32．768KHz的晶振可以直接連接到X1、X2引腳，同時(shí)外接晶振電路要有6PF的負(fù)載電容與內(nèi)部震蕩器配合運(yùn)行。所以，在電路設(shè)計(jì)時(shí)X1、X2兩引腳分別連接一個(gè)15pF的電容至地。硬件連接，如圖1所示：

1．3 Linux 下OSl302驅(qū)動程序設(shè)計(jì)[!--empirenews.page--]
    Linux系統(tǒng)中有三種類型的設(shè)備：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。字符設(shè)備是指發(fā)送和接收數(shù)據(jù)以字符的形式進(jìn)行，無需緩沖直接存取，在對字符設(shè)備發(fā)出讀寫請求后，實(shí)際的硬件I／0隨即發(fā)生；而塊設(shè)備則是對數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫并可以隨機(jī)訪問，操作是以塊為單位。而網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與字符設(shè)備、塊設(shè)備有很大的不同，用于對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制和管理。DSl302顯然屬于字符設(shè)備。
    2．6版本的Linux內(nèi)核和2．4版本存在很大的不同，在模塊的開發(fā)和設(shè)計(jì)上也是如此。在這里使用的內(nèi)核版本是Linux一2．6．13。首先，驅(qū)動程序作為一個(gè)模塊可以動態(tài)加載進(jìn)內(nèi)核也可以動態(tài)的從內(nèi)核中卸載掉，在加載和卸載的過程中實(shí)際伴隨的是驅(qū)動程序向內(nèi)核的注冊與注銷。在驅(qū)動程序的代碼中會有兩個(gè)函數(shù)分別在模塊加載和卸載過程中調(diào)用DSl302_init()、DSl302_exit()，在其中再調(diào)用register_chrdev()、unregister_chrdev()用以向內(nèi)核注冊和注銷一個(gè)設(shè)備驅(qū)動程序。在2．6內(nèi)核版本中，用如下方法聲明這兩個(gè)函數(shù)給內(nèi)核：
    Module_init(DS1302_init)：
    Module_exit(DSl302_exit)：
    在DSl302_init()函數(shù)中除調(diào)用字符設(shè)備的注冊函數(shù)外，還有一個(gè)重要任務(wù)，就是配置需要用到的三條I／0口線：PBO、PBl0、PBll。配置過程包括：B端口控制器時(shí)鐘使能、通用I／O口使能、輸出使能、上拉電阻使能、三個(gè)口線上的同步數(shù)據(jù)輸出使能，另外通過置PIOB_CODR寄存器使三個(gè)引腳輸出低電平。代碼如下：

    其中va_sys是一個(gè)結(jié)構(gòu)體，包含了AT9lRM9200處理器內(nèi)的全部寄存器，通過一條語句：AT91PS_SYS va_sys=(AT91PS SYS)AT91C_VA_BASE_SYS，把所有寄存器的最低地址賦給va_sys，這樣結(jié)構(gòu)體中的寄存器名稱就和實(shí)際的地址對應(yīng)起來了。注意：這里用到的地址都是經(jīng)過映射過的虛擬地址，在實(shí)際運(yùn)行中會通過處理器內(nèi)部的MMU單元轉(zhuǎn)換為實(shí)際的物理地址發(fā)往地址總線。上述代碼中的AT91C_PI0_PBO等等是一些常數(shù)的宏定義用于寄存器賦值，比如：#define AT9lC_PIO_PBO(1<<0)，它們定義在AT91RM9200．h頭文件中。
    在驅(qū)動程序中，file_operations是一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)體，通過它把針對設(shè)備的具體操作注冊給內(nèi)核的統(tǒng)一接口。結(jié)構(gòu)體中全是函數(shù)指針，DSl302驅(qū)動程序中用到的函數(shù)有：open、release、ioctl，用于設(shè)備的打開與釋放、設(shè)備的讀寫以及設(shè)備的控制。對DSl302的讀寫都是在dsl302_ioctl()中調(diào)用相應(yīng)的讀寫函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。
    下面具體分析一下驅(qū)動程序中向DSl302發(fā)送單個(gè)字

    代碼中用到的at91_set_gpi0_value()函數(shù)定義在內(nèi)核的Gpio．c文件中，最終是對10控制器的PIO_SODR(置位輸出數(shù)據(jù)寄存器)或PIO_CODR(清零輸出數(shù)據(jù)寄存器)賦值以使相應(yīng)引腳輸出需要的電平。
    經(jīng)過測試，短時(shí)間內(nèi)誤差不明顯，但時(shí)鐘芯片存在積累誤差并且易受環(huán)境影響，連續(xù)幾天運(yùn)行下來，誤差有數(shù)秒之多。所以，嵌入式系統(tǒng)需要通過某種方法定期使用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間向時(shí)鐘芯片對時(shí)，以消除誤差。下面要介紹的GPS接收機(jī)方案就可以做到這點(diǎn)。

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2 從GPS接收機(jī)獲取實(shí)時(shí)時(shí)間
    GPS是美國開發(fā)研制的最初主要作為軍用的一種全球定位系統(tǒng)，有三個(gè)部分組成：空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶部分。一般來說，在地面上的GPS接收機(jī)能接收5～12個(gè)衛(wèi)星信號，而為了獲得地面上的定位坐標(biāo)，至少需要4顆衛(wèi)星的信號，三個(gè)用來確定GPS接收機(jī)的緯度、經(jīng)度和海拔高度，第四個(gè)則提供同步校正時(shí)間。
    GPS接收機(jī)只要處于工作狀態(tài)就會源源不斷地把計(jì)算出的GPS導(dǎo)航定位信息通過串口傳送到計(jì)算機(jī)中。GPS接收機(jī)送出的數(shù)據(jù)都是格式化的，NMEA一0183協(xié)議是GPS接收機(jī)應(yīng)當(dāng)遵循的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，大多數(shù)常見的GPS接收機(jī)、GPS數(shù)據(jù)處理軟件、導(dǎo)航軟件都遵守或者至少兼容這個(gè)協(xié)議。下面介紹下如何從符合NMEA—0183協(xié)議的接收機(jī)接收數(shù)據(jù)中提取時(shí)間信息。
    接收機(jī)通過串口發(fā)送到計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)主要由幀頭、幀尾和幀內(nèi)數(shù)據(jù)組成，根據(jù)數(shù)據(jù)幀的不同，幀頭也不相同，主要有“$GPGGA”、“$GPGSA”、“$GPGSV”以及“$GPRMC”等。這些幀頭標(biāo)識了后續(xù)幀內(nèi)數(shù)據(jù)的組成結(jié)構(gòu)，各幀均以回車符和換行符作為幀尾標(biāo)識一幀的結(jié)束。對于通常的情況，我們所關(guān)心的定位數(shù)據(jù)如經(jīng)緯度、速度、時(shí)間等均可以從“$GPRMC”幀中獲取得到，該幀的結(jié)構(gòu)及各字段釋義如下：
    $GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>*hh<CR><LF>
    <1>當(dāng)前位置的格林尼治時(shí)間，格式為hhmmss
    <2>狀態(tài)，A為有效，V為接收警告，即當(dāng)前天線視野上方的衛(wèi)星個(gè)數(shù)少于3顆。
    <3>緯度，格式為ddmm．mmmm
    <4>標(biāo)明南北半球，N為北半球、S為南半球
    <5>徑度，格式為dddmm．mmmm
    <6>標(biāo)明東西半球，E為東半球、W為西半球
    <7>地面上的速度，范圍為0．ON999．9
    <8>方位角，范圍為000．O到359．9度
    <9>日期，格式為ddmmyy
    <lO>地磁變化，從000．0到180．O度
    <ll>地磁變化方向，為E或W
    在Linux操作系統(tǒng)中，從$GPRMC數(shù)據(jù)幀中提取時(shí)間信息的代碼如下：

    程序首先打開串口，然后對串口參數(shù)進(jìn)行配置，隨后進(jìn)入無限循環(huán)主體。這段代碼是作為主進(jìn)程的一個(gè)線程實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的接收，當(dāng)串口接收緩沖區(qū)中無數(shù)據(jù)時(shí)，read函數(shù)阻塞。程序中只提取了時(shí)間信息，若需導(dǎo)航數(shù)據(jù)可以類似方法提取。

3 結(jié)束語
    本文分別介紹了兩種嵌入式系統(tǒng)中獲取實(shí)時(shí)時(shí)間的方法：時(shí)鐘芯片方法和GPS接收機(jī)方法。時(shí)鐘芯片方法的優(yōu)點(diǎn)是硬件連接簡單、成本低；缺點(diǎn)是存在積累誤差、易受環(huán)境影響、可靠性差。GPS接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：由于GPS衛(wèi)星使用的是可以精確到十億分之一秒的原子鐘，所以不存在時(shí)間誤差問題。同時(shí)也應(yīng)該看到，目前GPS核心技術(shù)在國外，國內(nèi)GPS市場主要還是做代理或是在購買國外GPS模塊的基礎(chǔ)上做產(chǎn)品開發(fā)，這就使得開發(fā)成本偏高。GPS方法中還有一個(gè)問題就是在某些情況下接收不到GPS信號，如在高樓林立的環(huán)境下或是在地下室之類的地方。此時(shí)就應(yīng)該讓GPS接收機(jī)方法與處理器內(nèi)部的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)配合工作，這樣在短時(shí)接收不到GPS信號的情況，仍可以從RTC讀取時(shí)間。