摘? 要: 介紹了利用ColdFire uClinux實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集和傳輸。這項技術(shù)被用在大型集裝箱檢測系統(tǒng)中,取得了很好的效果。

　　關(guān)鍵詞: ColdFire? uClinux? 數(shù)據(jù)采集

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　　在ColdFire上嵌入uClinux操作系統(tǒng)是一項比較成熟的技術(shù),它一般應(yīng)用在手持設(shè)備、家庭網(wǎng)關(guān)、工業(yè)控制中。但在數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中使用這項技術(shù)卻不是很常見,原因是uClinux不是實(shí)時操作系統(tǒng),而數(shù)據(jù)采集應(yīng)用對數(shù)據(jù)采集的實(shí)時性" title="實(shí)時性">實(shí)時性要求很高。本文介紹如何利用在ColdFire上嵌入uClinux操作系統(tǒng)的方法來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

1 硬件平臺

　　任何嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)都離不開具體的硬件平臺,這里先介紹一下系統(tǒng)所采用的硬件平臺。圖1所示即為硬件結(jié)構(gòu)的示意圖。其中,SPM是數(shù)據(jù)處理模塊,它控制前端的A/D變換,根據(jù)設(shè)定的采集周期將A/D變換后的數(shù)據(jù)保存在其內(nèi)部的RAM中;同時發(fā)出一個中斷信號。ColdFire 5307 xBoard是基于Motorola公司高性能嵌入式32位處理器ColdFire 5307自行開發(fā)的嵌入式應(yīng)用開發(fā)板。其硬件配置包括:

　　ColdFire5307 90MHz 32位處理器;16M SDRAM;2M Flash ROM;10Mbps以太" title="以太">以太網(wǎng)接口;兩個UART串口;兩個64針的地址和數(shù)據(jù)總線接口。

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　　ICS(圖像控制工作站)和IDS(圖像數(shù)據(jù)工作站)是兩個工作站,用來對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制,對圖像數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)處理。xBoard和工作站處在同一個以太網(wǎng)上,該以太網(wǎng)上還配有其它的設(shè)備。uClinux所要實(shí)現(xiàn)的功能是實(shí)時地將SPM上采集的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳到IDS上,同時接收來自ICS的命令以對SPM進(jìn)行控制。

2 SPM和xBoard之間的連接

　　uClinux需要讀取SPM中的RAM,所以最好是把SPM中的RAM作為uClinux的內(nèi)存地址的一部分。SPM和xBoard上MCF5307之間的硬件連接如圖2所示。

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　　SPM中RAM的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線直接連到CPU的總線上。除了硬件上的連接之外,還需要設(shè)置MCF5307的寄存器,為SPM上的RAM分配內(nèi)存空間。xBoard在加電時首先運(yùn)行debug程序,所以在debug中進(jìn)行寄存器的設(shè)置是比較合適的。在debug源代碼中的sysinit.c文件里的mcf5307_cs_init函數(shù)中加上下面的語句:

　　MCF5307_WR_CS_CSAR5(imm，0xa000)　　　；?SPM的地址從0xa0000000開始

　　MCF5307_WR_CS_CSCR5(imm，0x3d40)　　　；采用8位的讀方式

　　MCF5307_WR_CS_CSMR5(imm，0x01FF0001)??；空間大小為1M

　　將SPM控制的引腳和MCF5307的并口引腳相連,這樣對SPM的控制就只需設(shè)置并口的相應(yīng)位了。

3 uClinux下的實(shí)時性

　　uClinux并不是一個實(shí)時操作系統(tǒng)(RTOS),如何使用uClinux完成有實(shí)時性要求的數(shù)據(jù)采集是需要考慮的問題。由于應(yīng)用中只有一個實(shí)時的任務(wù)——從SPM中讀取數(shù)據(jù),所以采用中斷的方式來對數(shù)據(jù)采集完的信號提供實(shí)時響應(yīng)。下面的代碼用來向uClinux注冊IRQ7中斷處理程序" title="中斷處理程序">中斷處理程序:result=request_irq(ECM_IRQ，ecm_interrupt，0，“ecm”，NULL)；

　　在中斷處理程序中,先關(guān)閉中斷,因為中斷嵌套在這里是沒有意義的,還有一個重要的原因是SPM中斷信號的低電平持續(xù)時間比較長。CPU是利用低電平來標(biāo)志中斷信號的,所以CPU可能在SPM的一個中斷信號中檢測到多次中斷。關(guān)閉中斷后,從SPM的RAM中讀取數(shù)據(jù)。由于SPM和xBoard之間的連接已得到保證,SPM的內(nèi)部RAM成為uClinux的內(nèi)存空間的一部分,所以讀數(shù)據(jù)的工作是很簡單的,只是將數(shù)據(jù)從一個地址讀到另外一個地址,讀完數(shù)據(jù)后打開中斷。讀數(shù)據(jù)之間發(fā)生的中斷都會被忽略。讀數(shù)據(jù)塊的大小為4096字節(jié),讀完所有的數(shù)據(jù)需要2ms。所以在采集周期低于2ms的情況下,系統(tǒng)無法正常工作。不過這個指標(biāo)低于應(yīng)用的要求。

4 數(shù)據(jù)的臨時存放

　　xBoard上并沒有大的存儲設(shè)備,所以uClinux采集的數(shù)據(jù)必須及時地傳送出去。以太網(wǎng)上通過交換機(jī)連接著多個設(shè)備,在網(wǎng)絡(luò)繁忙的時候并不能保證數(shù)據(jù)會被及時地傳出去。解決這個問題的方法是開辟一個緩沖區(qū),將暫時無法傳出去的數(shù)據(jù)放在緩沖區(qū)中。

　　由于沒有MMU的支持,uClinux不能提供內(nèi)存保護(hù)機(jī)制,進(jìn)程可以隨意讀取任何內(nèi)存地址。這樣,在帶來方便的同時也增加了一些麻煩。方便的一面表現(xiàn)在可以在進(jìn)程中開辟緩沖區(qū),在內(nèi)核中用同樣的地址使用該緩沖區(qū);不利的一方面表現(xiàn)在開辟動態(tài)內(nèi)存必須十分小心,不能和其它進(jìn)程發(fā)生重疊。

　　在進(jìn)程中開辟了50個數(shù)據(jù)緩沖片,這些緩沖片通過三個雙向鏈表" title="鏈表">鏈表維持形成緩沖區(qū)。所有的緩沖片被掛在一個稱為list的雙向鏈表中,退出進(jìn)程的時候,應(yīng)該將這些動態(tài)內(nèi)存釋放。同時,將存有有效數(shù)據(jù)(即尚未被發(fā)送出去的數(shù)據(jù))的緩沖片放在稱為dirty的雙向鏈表中,將可以使用的緩沖片放在稱為clean的雙向鏈表中。中斷處理程序每次從clean鏈表中取得一個緩沖片,存入數(shù)據(jù)后放到dirty鏈表中;相反,發(fā)送進(jìn)程每次從dirty隊列中取一個緩沖片,發(fā)送其中保存的數(shù)據(jù),然后把它放到clean鏈表中。這樣可以在一定程度上為網(wǎng)絡(luò)速度的不穩(wěn)定提供緩沖。

5 uClinux上運(yùn)行任務(wù)的分析

　　在uClinux上運(yùn)行了三個任務(wù):讀取采集數(shù)據(jù)、通過以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)、接收和執(zhí)行來自ICS的命令。其中的讀取采集數(shù)據(jù)任務(wù)對實(shí)時性有要求,把它用中斷處理程序來實(shí)現(xiàn),而其它的兩個任務(wù)則通過用戶進(jìn)程來實(shí)現(xiàn)。通過以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)的任務(wù)和讀取采集數(shù)據(jù)的任務(wù)共享一個緩沖區(qū),通過ioclt函數(shù)在它們之間傳遞緩沖區(qū)雙向鏈表的地址。所以還需要為SPM注冊一個驅(qū)動程序,這也是在uClinux操作中比較特別的進(jìn)程和內(nèi)核通信的方法。同時,把對SPM的設(shè)置和查詢等操作也包裝在這個驅(qū)動程序里面,這些操作都是通過ioctl函數(shù)向進(jìn)程提供接口。注冊驅(qū)動程序的函數(shù)是:

　　result=register_chrdev(ECM_MAJOR，“ecm”，&ecm_fops)；

　　可見,這里把SPM作為一個字符型的設(shè)備。由于緩沖區(qū)是共享的,所以必須提供一個鎖機(jī)制,使得在某個進(jìn)程向緩沖片中寫數(shù)據(jù)時,其它的進(jìn)程不讀或?qū)懺摼彌_片。

????uClinux不僅在信息家電、低端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和工業(yè)控制領(lǐng)域中有較廣的應(yīng)用,而且在簡單的數(shù)據(jù)采集和傳輸方面也有了應(yīng)用方案。

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參考文獻(xiàn)

1 ALESSANDRO RUBINI. Linux Device Drivers. 北京:中國電力出版社， 2000

2 Daniel P. Bovet， Marco Cesati. Understanding the Linux?Kernel， 2nd Edition.O’Reilly， December 2002

3 uClinux White Paper.ARCTURUS NETWORKS INC. www.arcturusnetworks.com