基于ARM的智能測溫系統設計

（1）DDR2 SDRAM電路
S5PC100 SDRAM控制器通過向外部16位或32位SDRAM
提供接口來擴展芯片存儲能力。本平臺采用2片K4T1G164
16位寬度DD2 SDRAM組成32位內存，容量256MB，如圖3。
（2）NANDFLASH電路與SD卡存儲電路 由于系統需要運行Linux系統，系統代碼較為復雜，需
要一定容量的存儲器存放Linux操作系統源代碼以及應用程 序，由于S5PC100內置了NAND FL ASH控制器，因此平臺 采用K9F2G08 256MB NAND FLASH直接與S5PC100 NAND FLASH控制器接口連接。SD卡可通過S5PC100內置SDIO1總 線直接連接。其NAND FLASH電路原理圖如圖4所示、SD卡 的原理圖如圖5所示。
2.2  溫度傳感器接口
平臺設計了采用DS18B20一線制溫度傳感器接口。采用 S5PC100處理器GPIO引腳接口控制溫度傳感器DS18B20的溫 度測量，LCD屏輸出測量溫度，原理圖如圖6所示。
2.3 溫度報警電路
本 設 計 采 用 軟 件 處 理 報 警 ， 利 用 無 源 蜂 鳴 器 進 行 報 警，當所測溫度超限后輸出PWM信號，驅動蜂鳴器報警， 其電路原理圖如圖7所示。

3  系統軟件設計
3.1  Linux操作系統移植
完整的嵌入式linux系統由bootloader、kernel、rootfs等
3個基本部分組成。其中bootloader用于引導和裝載操作系統、kernel為linux內核程序、rootfs為文件系統，如圖8。
3.1.1  交叉編譯環境
嵌入式開發系統受到自身硬件以及軟件資源的限制， 無法完成代碼的本地編譯，其開發需要在宿主機上建立交叉 開發環境。
交叉開發環境是包含了編輯器、編譯器、連接器、調 試器和libc庫等的程序環境。在開發嵌入式Linux相關軟件 時，常用的交叉開發工具是GNU工具鏈。系統中宿主機使 用的開發環境為ubuntu12.04操作系統，目標板內核版本號為 標準linux-2.6.35，使用到的交叉編譯器是arm-linux-gcc-4.5.1。
3.1.2    Bootloader程序設計
Bootloader是在操作系統運行前運行的一段專用程序， 可以完成平臺硬件設備的初始化，并能完成引導和調試操作 系統。 Bootloader依賴CPU體系結構，一般將Bootloader按功 能劃分為兩個階段，其中第1階段實現基本硬件電路的初始 化，為操作系統的運行準備環境。在平臺中，由于使用的是 ARM微控制器，因此第一階段需要實現設置處理器進入管 理模式、關閉處理器中斷與快中斷、設置處理器主頻、高速 總線主頻與告訴外設主頻、CPU關閉MMU與數據Cache，初 始化內存控制器，代碼由存儲器自搬運至內存，設置運行程 序需要的臨時堆棧、BSS段清零等工作。第2階段主要實現 進入交互模式或者自引導模式，實現操作系統的加載，一般 要根據操作系統與硬件平臺的需要實現相關硬件的初始化工 作， 如初始化GPIO、串口、網口等外部設備，完成向內核 傳遞啟動參數等功能。
3.1.3   Linux內核的定制
Linux目前已經支持了x86、ARM、MIPS等多種處理器 架構，支持的平臺類型多達3000多種。各種ARM處理器的 設計廠商為了更好地推廣處理器的使用，都會Linux中添加補丁， 使得該處理器能夠在L i nu x 行正常運行。 平臺選用
Linux-2.6.35版本，面對大規模的Linux源代碼，我們需要對
Linux進行剪裁移植。
Linux源代碼采用模塊化的組織方式，可以通過條件編 譯的方式對Linux源碼的功能進行剪裁，但是條件編譯法裁 剪的是功能模塊，對于具體的硬件驅動和優化就需要對源代 碼進行細微的修改了。
3.1.4 根文件系統的建立
根文件系統是存放各種工具軟件、庫文件、腳本、配 置文件的地方，任何包括這些Linux系統啟動所必須的文件 都可以成為根文件系統。Linux支持jffs2，nfs，cramfs，yaffs2 等多種文件系統。在本系統中使用的Ramdisk文件系統，實 際上是把內存劃出一部分當作硬盤使用，使得程序運行效率 更高。系統中的工具集合采用BusyBox完成，BusyBox 將許多 具有共性的小版本的UNIX工具結合到一個單一的可執行文 件。這樣的集合可以替代大部分常用工具比如GNU fileutils
， shellutils等工具，BusyBox提供了一個比較完善的環境，可 以適用于任何嵌入式設備。
3.2 溫度傳感器驅動程序的設計
在Linux中，為實現模型抽象和統一操作接口，設備驅 動程序隱藏了設備的具體細節，向用戶提供了統一的設備接 口。Linux設備驅動運行于內核中，完成直接硬件操作、設 備管理等工作，并向用戶提供了統一的接口模型。Linux下 將設備分為字符、塊和網絡設備三類，同樣設備驅動也分為 字符驅動、塊設備驅動和網絡設備驅動。字符設備面向的設 備是流式設備，如鼠標、鍵盤等；塊設備面向的是需要隨 機存儲的設備，它主要包括硬盤、光驅等存儲設備；其中 DS18B20屬于字符設備。
在 字 符 與 塊 設 備 中 由 一 個 主 設 備 號 和 一 個 次 設 備 號
（minor number）標識驅動設備。主設備號用于標識設備類 型，次設備號用于識別同類設備序號。字符驅動程序通過 file_operations結構的指針向用戶程序提供接口抽象。
其內核定義如下：
struct file_operations
{
int (*read) (struct inode *inode,struct file *filp,char *buf,int count); /*設備讀*/
int (*write) (struct inode *inode,struct file *filp,char *buf,int
count); /*設備寫*/int (*ioctl) (struct inode *inode,struct file *filp,unsigned int
cmd,unsigned int arg); /*I/O控制*/
int  (*open) (struct inode *inode,struct file *filp);  /*設備打 開*/
void (*release) (struct inode *inode,struct file *filp);  /*設備 關閉*/
??????
};
在結構file_operations里，指出了設備驅動程序所提供的 入口點位置，分別是：
read讀操作，完成由應用設備向應用程序傳遞的數據。 write寫操作，完成由應用程序向設備發送的數據。 ioctl，進行讀、寫以外的其它命令操作。 open，打開設備準備進行I/O操作。 release，設備釋放操作。 每一個字符設備驅動由一個cdev結構體抽象，具體的驅
動的實現由 file_operations實現，用戶程序通過dev_t代表設 備號查找到內核中的cdev，由cdev調用到file_operations，從 而調用到實際的硬件操作函數。

4 結論
本文以便攜式手持溫度測試儀為技術、應用背景，設 計了一套具備溫度測量、數據記錄、LCD顯示以及網絡通信 功能的溫度測試設備。
由于便攜式手持溫度測試儀具有體積小、功耗低同時 又具備較高性能的要求，系統采用了ARM微控制器作為系 統的核心控制單元，并在平臺上移植了Linux操作系統以滿 足系統對聯網、存儲方面的需要。對比眾多的處理器，選用 了三星公司基于Cortex-A8 內核的 S5PC100處理器，圍繞核 心電路設計了溫度采集，大容量存儲、人機交互、以及網絡 通訊等單元電路；在平臺電路的基礎上實現了Linux系統的 移植工作，并完成了這些設備接口電路的驅動移植工作； 在Linux系統下實現了DS18B20的驅動設計工作，并編寫了基 于液晶顯示的測試程序。經過實際測試，應用程序能夠在 Linux下采集DS18B20的溫度數據，并能夠實現在LCD上的顯 示、存儲功能，存儲文件能夠通過網絡的NFS服務導出到PC 端，實現了課題設計的功能。