基于Linux/Qtopia的車載溫度網絡采集

摘要 本文將一線制溫度傳感器網絡引入車載信息采集系統，介紹了嵌入式Linux下一線制溫度傳感器網絡的內核驅動模塊實現過程；設計了基于QTE/Qtopia溫度測量圖形界面應用程序，實現了溫度網絡的即時測量、數據保存、高溫報警等功能，并成功應用于車載信息采集系統。

關鍵詞  車載信息采集  嵌入式Linux  Qtopia  一線網絡  溫度網絡采集  DS18B20

引言

　　本文在嵌入式Linux平臺上實現了車載信息采集系統的一部分——汽車常規溫度的數據采集，如采集車內溫度、暖風或空調溫度、車外溫度、水箱溫度等。DS18B20是一種可組網單總線數字溫度傳感器，為信息采集提供了經濟有效的可行方案。嵌入式Linux以其源碼開放、容易定制和擴展、多硬件平臺支持和內置網絡功能等優良性能，逐漸成為車載設備廣泛使用的系統平臺。本文涉及的系統使用三星公司的S3C2410AL20處理器,操作系統采用 2.6.8.1內核Linux，GUI采用Trolltech公司的Qtopia；功能上主要實現：各路溫度的采集顯示、音頻報警、溫度數據的存儲、相關功能設置等。當需要語音提示或報警時，應用程序調用語音模塊；當需要存儲或顯示歷史數據時，應用程序調用SD存儲模塊。

1  Linux系統開發概述

　　驅動程序的開發是嵌入式Linux開發的主要任務之一。設備驅動為上層應用程序提供控制硬件的設備接口，同時直接與Linux內核打交道。圖1描述了Linux系統開發框架。

圖1  Linux系統開發框架

　　應用程序開發是嵌入式Linux開發的另一個主要任務。Qt/Embedded 是著名Qt 庫開發商Trolltech 公司開發的面向嵌入式系統的Qt 版本。Qtopia是在Qt/ Embedded 庫的基礎上,專門針對PDA、SmartPhone這類運行嵌入式Linux 的移動設備和手持設備所開發的開放源碼的一套應用程序包和開發庫。它包括全套的個人信息管理PIM ( Personal Information Management) ,如地址本、日程安排、MPEG播放、圖像顯示、瀏覽器等。

2  車載信息系統及硬件平臺概述

　　車載信息采集系統開發主要包括用戶界面開發，內核開發，音頻模塊設計，串口模塊設計，CAN總線模塊設計，車輛狀態（又包含開關量、模擬量、數字量等）檢測模塊設計等。

　　本設計著重實現一線制溫度網絡的數據采集。一線制溫度網絡的溫度信號特點是：數值不高，多在0~100    ℃范圍內；溫度信號變化較慢；系統對采集到的溫度信號的實時性要求不高；精度要求不高。

　　一線網絡的優點在于能測量大量的物理量，所有的通信都通過一線協議，而與被測的具體量無關。一線網絡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境參數的網絡。

　　DS18B20是一種可組網的單總線數字溫度傳感器，具有以下功能特點：

　　① 適應寬的電壓范圍（3.0～5.5 V），在寄生電源方式下可由數據線供電。
　　② 獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要1條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通信。
　　③ 溫度范圍為－55～+125 ℃，在-10～+85 ℃時精度為±0.5 ℃。
　　④ 可編程的分辨率為9～12位，對應的可分辨溫度分別為0.5 ℃、0.25 ℃、0.125 ℃和0.062 5 ℃，可實現較高的精度測溫。

　　單總線使得硬件開銷極小，但需要相對復雜的軟件進行補償。由于DS18B20采用單總線串行數據傳送，保證嚴格的讀寫時序成為測溫關鍵,因此沒有采用I/O驅動，而是單獨編寫一線制溫度網絡驅動。

　　本設計采用寄生電源連接方式，12位分辨率。寄生電源的優點為：遠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 DS18B20在其有效變換期內得到足夠的電源電流，在I/O線上通過MOSFET提供強的上拉（如圖2所示）。當使用寄生電源方式時，VDD引腳必須連接到地。

　　系統核心控制器S3C2410X是三星公司基于ARM920T核的芯片。S3C2410X集成了1個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個具有PWM功能的計時器和1個內部時鐘,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到203 MHz。系統顯示采用SHARP 3.5 in的TFT_LCD液晶顯示屏。系統框圖如圖2所示。

圖2  信息采集系統及部分電路連接原理

3  驅動實現

　　本節將實現一線制溫度傳感器網絡的驅動模塊。驅動從總體上看分為兩部分：驅動與內核接口層、硬件設備接口層。

3.1  驅動與內核接口層

　　驅動與內核接口層主要完成驅動模塊在Linux內核的注冊加載、卸載清除工作。這部分工作分別由初始化和退出函數完成。

　　① 初始化函數完成驅動模塊加載：

static int __init DS18B20_init(void){
　　……
　　register_chrdev(DS18B20_MAJOR,DEVICE_NAME, &DS18B20_fops);//完成設備注冊
　　#ifdefCONFIG_DEVFS_FS//創建設備文件系統
　　　　devfs_mk_cdev(MKDEV(DS18B20_MAJOR,0),S_IFCHR | S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP,DEVICE_NAME);
　　#endif
　　……
}

　　② 退出函數完成驅動模塊卸載：

static void __exit DS18B20_exit(void) {
　　#ifdef CONFIG_DEVFS_FS
　　　　devfs_remove(DEVICE_NAME);//移除設備文件
　　#endif
　　unregister_chrdev(DS18B20_MAJOR,DEVICE_NAME); //完成設備注銷
　　……
}

3.2  硬件設備接口層

　　硬件設備接口層用來描述驅動程序與設備的交互。這些工作通過虛擬文件系統與設備驅動程序的接口實現。這個接口由file_operation結構定義，其結構如下：

static struct file_operations DS18B20_fops ={
　　.owner=THIS_MODULE, //指向擁有該結構的模塊，內核使用該結構維護模塊使用計數
　　.open=DS18B20_open, //打開設備函數
　　.read=DS18B20_read, //讀接口函數
　　.write=DS18B20_write,//寫接口函數
　　.fasync=DS18B20_fasync, //異步通知函數
　　.poll=DS18B20_poll,//poll函數
　　.release=DS18B20_release, //釋放設備函數
};

3.2.1  打開設備函數

　　打開設備函數主要完成設備的初始化。

DS18B20_open(struct inode *inode,struct file *filp) {
　　Initial_Timer( );//初始化定時器，使內核模塊按一定周期讀溫度
　　Initial_Device_DS18B20();//初始化硬件
　　readtemperature();//開始讀取……
}
void readtemperature(void) {
　　……Temperature=DS18B20read();//讀取2個8位數據，此函數完成的硬件操作時序，由當前讀通道號變量指定當前通道
　　DS_SLOT_NO();//將本次讀通道號放入緩沖區
　　DS18B20Event();//數據放入緩沖區，喚醒等待隊列并啟動異步通知
　　if(ReleaseFlag)
　　CycleTimer_Delay_Soft(hdelay);//如果沒有讀停止信號，通過內核定時器延時，進行下一次讀，在中斷服務程序中再次啟動讀
　　……
}

　　在使用內核定時器之前需定義一個定時器結構體 static struct timer_list CycleTimer。下面是定時器的具體操作：

static void Initial_Timer(void) {
　　init_timer(&CycleTimer); );//初始化定時器結構
　　CycleTimer.function=DS18B20_timer; //掛接定時中斷服務程序
}