基于Linux的嵌入式数据采集系统

1 嵌入式系统概述

嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统,对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统,它将操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中,简而言之就是系统的应用软件与系统的硬件一体化,类似于BIOS的工作方式, 具有软件代码小,高度自动化,响应速度快等特点。特别适合于要求实时和多任务的体系。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业实际应用相结合的产物。嵌入式系统的结构由两大模块组成:硬件平台和软件平台,其结构如图1所示。

图1  嵌入式系统结构图

2 系统设计

数据采集系统的采集任务在现场完成。采集系统设计为分布式的控制系统,系统上位机与现场检测下位机之间的通信基于串口。正常运行时,现场下位检测控制器完成数据采集、数据处理、数据存储、数据发送等多种任务。系统具有一定的自检测、自校正能力,能将异常情况传给PC机,以便维护。为了适应各种不同情况对焊缝自动检测的要求,整个检测系统采用模块化结构设计,可应用不同的模块组合成不同的应用系统。数据采集系统的基本组成如图2所示。

图2  数据采集系统的组成

2.1 系统的硬件

数据采集系统主要完成实时数据采样、保持、并送入A/D 转换器变成数字信号，然后

再对数据进行计算处理、保存，再通过通信接口将实时数据发送到监控中心，同时接收监控中心下发的各种命令。其硬件结构如图3所示。

图3  数据采集系统的硬件结构

该系统采用了Cirrus Logic公司的EP9302作为主CPU，并移植Linux操作系统来对任务进行管理和调度。

交流采样电路主要由采样保持、多路开关和A/D转换组成，用来保证在模数转换过程中电压、电流的同时性，以满足功率测量要求。本系统采集四相电压及四相电流，通过多路开关分时将采样量送入A/D转换器。14位A/D转换电路采用Analog Devices的AD7865，AD7865 是四通道高速A/D转换器，其电路输出具有三态锁存功能。

通信电路由SJA1000芯片、光耦电路和总线驱动器组成。SJA1000的AD0∼AD7连接到系统数据总线上，为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，SJA1000的TX0和RX0并不是直接82C250 的TXD和RXD相连，而是通过高速光耦合器6N137与82C250相连，这样就很好地实现了总线上各CAN 节点间的电气隔离。光耦部分电路所采用的2个电源Vcc和Vdd必须完全隔离，可采用小功率电源隔离模块或带多个5V隔离输出的开关电源模块实现。这部分增加了接口电路的复杂性，但却提高了节点的稳定性和安全性。

2.2 系统的软件

软件的设计是在操作系统上实现的,嵌入式操作系统是整个系统的核心。针对本系统的特点,软件平台采用多任务嵌入式操作系统Linux来实现,改变了传统的在类似硬件平台下采用MSDOS单用户、单任务操作系统难以完成较为复杂的分布式多任务应用的缺点。在数据采集系统中,Linux系统可以同时处理多个传感器发送来的较为复杂的控制任务,从而提高系统的[page]

整体响应速度及并发处理能力。构成嵌入式Linux系统至少需要下面3个基本元素：引导程序、Linux微内核和初始化进程。如果要让它有更多的功能, 还可加上文件系统、GUI和设计精简的应用程序,并将其放在diskonchip中启动。

2.2.1 内核的裁减编译与启动

微型计算机的存储空间较小, 而标准Linux是面向PC 的,需要对Linux 内核进行裁减。对一些可独立加上或卸下的功能块,可在编译内核时仅保留嵌入式系统所需的功能支持模块, 删除不需要的功能。为了满足一定的实时性要求,需屏蔽内核的虚拟内存管理机制来增强的Linux实时性。系统中微机主板属于X86体系结构,兼容一般桌面 PC的Linuxi386版本。这

样,我们可以直接使用X86体系的编译器对Linux核心源代码直接进行编译及裁剪,并避免了对Linux 核心源代码中涉及CPU的部分模块以及内存管理模式模块的修改。增加了文件系统和GUI根据系统需要,文件系统应包括: 基本文件系统结构、基本应用程序、基本配置文件、基本设备/dev/hd* 和/dev/tty*、基本程序运行所需的函数库。GUI 是软件可视化设计不可

缺少的,也为将来的现场检修维护提供可视化的界面。编写Linux的引导代码, 将diskonchip作为系统的启动设备,引导代码放在diskonchip上。系统加电后,由引导代码进行基本的硬件初始化,然后把内核经映像装入内存运行。

2.2.2 设备驱动程序

系统需要对I/O口、串口编写设备驱动程序。设备驱动程序是操作系统内核与硬件之间的接口,属于内核的一部分,主要功能应包含:对设备初始化或释放、把数据从内核传送到硬件及从硬件读取数据、读取应用程序传送给设备的数据和回送应用程序请求的数据、监测和处理设备出现的异常。

设备驱动程序的实质就是中断处理。Linux中断处理程序分为上半部和下半部。上半部即一般的中断服务程序, 由硬件中断触发,一般运行在关中断的方式下,应当尽可能短小,处理尽可能快；下半部运行在开中断和任务串行化的环境下,处理需较长时间的任务。驱动程序上半部在处理完实时性很强的任务后,用queue_task函数将下半部处理函数挂入立即队列, 并用mark_bh函数来激活立即队列,下半部就可以最优先地被执行。

用户进程是通过设备文件与硬件打交道,对设备文件的操作方式是系统调用,由file_operations结构实现系统调用。这个结构的每一个成员的名字都对应着一个系统调用。用户进程对设备文件进行操作时,系统调用通过设备文件的主设备号找到相应的设备驱动程序,然后读取这个数据结构相应的函数指针,接着把控制权交给该函数。这就是Linux 设备驱动程序工作的基本原理。编写设备驱动程序的主要工作就是编写子函数,并填充file_operations的各个域。

设备驱动程序以模块方式加入内核,在init_module模块中,当检查设备存在后,用request_irq函数为设备申请系统中空闲的中断,用kmalloc为设备驱动程序申请输入输出缓存队列, 如果申请成功, 用regis2ter_chrdev函数将设备驱动程序注册到系统中,加载完成。在clearup_module模块中,先用free_irq函数释放申请到的中断,然后用kfree函数释放申请到的内存空间,最后用unregister_chrdev函数释放注册的设备驱动程序。

2.2.3 应用程序设计

在基于嵌入式Linux系统的微机中,应用程序的主要模块有数据采集模块、数据处理模块、数据通信模块和数据诊断模块。应用程序流程图见图4。

图4  应用程序流程图[page]

数据采集模块是通过对I / O 口操作实现的。利用inb、inb_p、outb、outb_p 等4 个函数编写读取和写入程序。inb_p 、outb_p与inb、outb 的区别在于前者在存取I/O时有等待(pause),可适应慢速的I/O设备。为了防止存取I/O 时发生冲突,Linux提供对端口使用情况的控制。在使用端口之前,可以检查需要的I/O是否正在被使用,如果没有,便把端口标记为正在使用,使用完后再释放。

数据处理模块实现数据的均值与极值计算, 以文件的方式存储数据。历史数据对焊缝数据采集系统很重要,可上传到服务器以便预报系统根据设置的模型进行预测,还可不断修正数据诊断模块所需的模型。

数据诊断模块实现实时分析诊断,根据已设置的模型,在系统工作期间对系统数据进行测试分析。诊断程序设置为嵌入式系统中中断级别最低的中断服务程序,在不影响系统工作的前提下实现实时诊断,并上传给上位机,以便跟踪诊断校准,保证系统的可靠性。

数据通信模块主要任务是通过串口与上位PC机实现数据传输。在Linux系统中,串口是用做字符设备处理的。使用文件操作函数对串口进行处理,利用open函数打开串口,利用termios结构设定串口通信参数。

2.2.4 系统执行

经过以上步骤,在嵌入式Linux系统上实现数据采集系统已基本构成。系统执行流程见图5。

图5  系统执行流程图

3 小结:

本文作者创新点是基于嵌入式Linux的数据采集系统具有数据检测的实时性、检测精度高、自动化程度高、具有良好的可靠性、稳定性和抗干扰性等特点。实际运行证明高性能的AMR9微处理器和Linux操作系统的运用提高了系统的实时响应性能和多任务处理能力，使系统的可靠性和可扩展性得以明显提高。

参考文献:

[1] 雷于红,刘益成,刘凯. 基ARM9的嵌入式LINUX地震数据采集系统设计.微计算机信息，2008，3-2: 166-167.

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[5] 邹思铁. 嵌入式Linux 设计与应用. 北京:清华大学出版社,1999.

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