基于Linux／Qtopia的車載溫度網(wǎng)絡(luò)采集

 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、曖風(fēng)或空調(diào)溫度、車外溫度、水箱溫度等。DSl8820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S3C2410AL一20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。

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/Em—bedded庫的基礎(chǔ)上，專門針對PDA、Smart—Phone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)。

DSl8B20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)：

①適應(yīng)寬的電壓范圍(3.O～5.5 V)，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。

②獨(dú)特的單線接口方式，DSl8820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DSl8820的雙向通信。

③溫度范圍為一55～+125℃，在一10～+85℃時(shí)精度為±0.5℃。

④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℃、O.25℃、O.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DSl8B20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/0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DSl8820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。

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。

①初始化函數(shù)完成驅(qū)動模塊加載：

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：

3.2.2 讀接口函數(shù)

用戶程序執(zhí)行讀操作的時(shí)候可能沒有可以讀取的數(shù)據(jù)，此時(shí)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(duì)列使進(jìn)程在無數(shù)據(jù)讀取時(shí)進(jìn)入等待，數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)喚醒。等待隊(duì)列設(shè)置成一個(gè)循環(huán)緩沖區(qū)，每放入一個(gè)新數(shù)據(jù)作為緩沖區(qū)的頭，存放時(shí)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(jìn)程發(fā)送SIGIO信號，通知訪問設(shè)備的進(jìn)程，表示設(shè)備已經(jīng)準(zhǔn)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(gè)struct

3.2.4 poll系統(tǒng)調(diào)用操作接口函數(shù)

當(dāng)程序需要進(jìn)行對多個(gè)文件讀寫時(shí)，如果某個(gè)文件沒有準(zhǔn)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(shè)備無阻塞地讀，就返回POLLIN;通常的數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，可以讀了，就返回POLLRDNORM。

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(yīng)用程序中執(zhí)行寫接口函數(shù)write(fileno，&SLOT2，1)，驅(qū)動設(shè)置當(dāng)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(shè)備驅(qū)動，將源程序放在driver/ehar目錄下。同時(shí)需要修改該目錄下的Kconfig配置文件并添加Config 18820_S3C2410選項(xiàng)，修改driver/char/Makefile，添加obj一$(CC)NFIG_18B20 S3C2410)+=S3C2410_18820.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(yīng)用程序設(shè)計(jì)

(1)創(chuàng)建工程

首先利用QT Designer設(shè)計(jì)器創(chuàng)建一個(gè)窗體應(yīng)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(shí)現(xiàn)框圖。

(2)ThermometerFigure類實(shí)現(xiàn)

利用uic工具產(chǎn)生相應(yīng)的*.cpp和*.h文件(窗體類的實(shí)現(xiàn)文件和頭文件)。編輯*.cpp和*.h文件實(shí)現(xiàn)各成員函數(shù)、信號槽的連接。具體實(shí)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(fù)責(zé)圖像用戶界面應(yīng)用程序的控制流和主設(shè)置，對所有來自系統(tǒng)和其他源文件的事件進(jìn)行處理和調(diào)度;還包括應(yīng)用程序的初始化和結(jié)束。

執(zhí)行qmake命令生成Makefile文件，執(zhí)行之前要設(shè)置相關(guān)的環(huán)境變量，編譯器路徑等。

qmake一o Makefile Thermometer.pro

(5)編譯鏈接工程

執(zhí)行make命令，將生成目標(biāo)二進(jìn)制文件Thermometer，此文件即可在設(shè)備上運(yùn)行。

(6)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(shè)備的Flash根文件系統(tǒng)區(qū)，這樣就可以在桌面運(yùn)行程序了。圖4為ThermometerFigure類實(shí)現(xiàn)界面。

結(jié) 語

本文介紹了車載信息系統(tǒng)開發(fā)的部分實(shí)現(xiàn)方法。通過實(shí)例講述了Linux的開發(fā)過程，包括驅(qū)動開發(fā)和應(yīng)用程序開發(fā)流程。創(chuàng)新點(diǎn)在于將一線制傳感器網(wǎng)絡(luò)引入車載信息采集系統(tǒng)，大大簡化了線路結(jié)構(gòu)，有很高的實(shí)用價(jià)值。