基于ARM-Linux和單片機的數據通信系統設計

楊 斌 ， 滿 峰 ， 姜秀杰 ， 劉 波

（1.中國科學院 空間科學與應用研究中心，北京 100190；2.中國科學院研究生院 北京 100049）

在前些年，很多嵌入式產品都是基于單片機而開發設計的。隨著嵌入式技術的發展，原來產品的功能開始變得不足和落后，例如，以前基于單片機的產品很多沒有以太網功能和文件管理功能，且擴展性差。增加和更新產品功能成為保持原來產品競爭力的關鍵。此時，單片機的局限性便顯示出來。單片機雖然開發簡單、價格低廉，但資源卻較少[1]。如果直接將單片機更換成高端的處理器，難度和工作量都將會很大。所以，在原來系統中增加功能強大的處理器，例如ARM，是一個很好的解決方法。ARM的高性能、低功耗使其成為現代流行嵌入式系統的首選。而且現在的中高端ARM可以嵌入Linux操作系統，這使開發軟件變得方便、安全和高效。單片機主要有RS232、I2C、SPI總線，現在已有的產品，ARM和單片機通信主要是通過串口，但通信速率較低。本文使用恩智普公司的ARM9處理器LPC3250和CYGNAL公司的C8051F120單片機，設計并實現了嵌入式Linux下ARM9和單片機基于SPI[2]總線的數據通信接口。

1 系統硬件設計

系統的硬件連接圖如圖1所示。

圖1 硬件連接圖Fig.1 Hardware connection diagram

系統中，LPC3250與C8051F121通過SSP總線相連接。SSP總線兼容 SPI、4線SSI或Microwire總線。在系統中，SSP被配置為SPI的幀格式與單片機通信。C8051F120的 P0.2、P0.3、P0.4、P0.5經過數字交叉開關的選擇，依次對應 SPI/SSP接口的 SCK、MISO、MOSI、NSS。 其中，SCK 是時鐘信號；MOSI是主設備數據輸出和從設備數據輸入信號；MISO是從設備數據輸出和主設備數據輸入信號；NSS是片選信號。

ARM與單片機除了通過SPI總線相連接外，還將ARM的GPO_20端口與單片機的外部中斷0端口相連接。單片機的P1.6端口經過數字交叉開關的選擇，被設置為外部中斷0端口。此連接用于ARM每秒給單片機提供一個外部中斷信號，單片機根據此中斷更新發送數據。

2 單片機程序設計

單片機在系統中作為SPI從設備，與ARM通信的程序包括4個模塊：與SPI總線和外部中斷0相關的初始化；SPI中斷處理函數；外部中斷0中斷處理函數；更新發送數據。

2.1 初始化

初始化模塊是其他功能模塊的前提，其他功能模塊的實現都要依據初始化后單片機的狀態編寫代碼。

對 SPI的初始化包括： 配置 P0.2、P0.3、P0.4、P0.5為 SPI管腳；將C8051F120配置為SPI從設備；選擇四線制SPI，同時把 NSS管腳設置為輸入；使能SPI；使能SPI中斷；將SPI中斷設置為高優先級以保證數據傳輸過程中不會被打斷。

對于外部中斷0的初始化，本系統首先將P1.6設置為/INT0端口，并將外部中斷0配置為下降沿觸發，然后開啟外部中斷，并將外部中斷0的優先級設置為高以保證每一個外部中斷產生時，都能按時響應。

2.2 SPI中斷處理函數

單片機SPI中斷處理函數主要功能是將發送給ARM的數據寫入SPI0DAT寄存器，并預裝入移位寄存器中，等待ARM讀取。SPI中斷處理函數的流程如圖2所示。

圖2 SPI中斷處理函數流程圖Fig.2 SPI interrupt handler flow chart

引起SPI中斷的中斷源有4個，所以，進入SPI中斷處理函數后，首先對中斷源進行判斷，“SPI0CN|0x0F=0x8F？”是為了確定SPI中斷是否是由一字節數據傳輸結束引起。是，則用軟件清除SPI的中斷標志；如果不是，則要重新初始化SPI。由于SPI是全雙工通信，接收以字節與發送以字節同時完成，所以清除中斷后需要讀接收數據寄存器，然后判斷接收緩沖器是否為空，這可以確保ARM傳送過來的數據被讀取成功，同時，能防止下次數據傳輸結束后，由于這次接收緩沖器中數據未被讀取而導致SPI的接收溢出標志被置位引起SPI中斷。在讀取數據之后，寫下次發送給ARM數據之前，還要判斷發送緩沖器是否為空，這可以防止SPI的寫沖突標志被置位引起SPI中斷。確保發送緩沖區為空后，可以把數據寫入SPI0DAT數據寄存器，等待ARM提供SCK時鐘時，按位發送數據。

2.3 外部中斷0中斷處理函數

在外部中斷0的中斷處理函數中，為了減少中斷處理的時間，本系統定義了一個全局變量INT0_Flag作為自定義中斷標志，在外部中斷0產生時，只將INT0_Flag賦值為1。然后在main（）函數中查詢INT0_Flag，當它為1時，更新待發送數據。

2.4 main函數

在main函數中，首先要調用初始化函數，完成外部中斷0和SPI相關的初始化，然后循環查詢外部中斷0的自定義中斷標志INT0_Flag。每當INT0_Flag在外部中斷0的中斷處理函數中被賦值為1后，main函數中將更新一組待發送數據。

因為C8051F120通過SPI每次只能傳送一個字節，所以在發送數據前，先把待發送的數據轉換成ASCII碼，然后把所有數據轉換成的ASCII碼存放在一個char型的一維數組中，在SPI中斷處理函數中，此一維數組中的數據依次被賦值給SPI0DAT數據寄存器。為了防止上一秒數據未被ARM全部讀取，而影響下一秒ARM讀取的數據，在每次更新待發送數據后，都將指向一維數據的指針指向數組的第0個字節，SPI中斷處理函數中，通過此指針給SPI0DAT賦值。 main函數的程序流圖如圖3所示。

圖3 main函數流程圖Fig.3 Flow chart of main function

3 ARM-Linux下對單片機的驅動程序設計

LPC3250與C8051F120通信包括兩個模塊，一個是SPI數據傳輸，另一個是LPC3250給C8051F120提供外部中斷信號，所以驅動程序也包括兩個：SPI驅動程序、中斷信號產生驅動程序。

3.1 SPI驅動程序設計

開發Linux設備驅動有一個固定模型，開發的重點和難點是 struct cdev結構的struct file_operations結構中[3-5]函數指針方法的實現。file_operations結構中函數指針有很多，根據功能需求，本系統只實現該結構中的部分函數，并羅列如下：

結構的第一個字段幾乎在所有情況下都被初始化為THIS_MODULE，此處可以不管，但必不可少。

open提供給驅動程序以初始化的能力[6]。c8051f120_open要完成的任務包括：復用管腳選擇；控制器使能、主/從機選擇；幀長度設置、時鐘和相位極性設置、通信速率設置、禁止中斷。LPC3250的SPI管腳與SSP管腳復用，如果使用SPI控制器控制管腳，則只能半雙工通信；如果使用SSP控制器控制SPI總線通信，可以實現全雙工。由于單片機端的SPI是全雙工，所以系統中將SPI/SSP復用管腳配置為SSP管腳。LPC3250的SSP控制SPI總線通信每幀長度可以設置為4到16位，考慮到C8051F120作為從SPI設備時，一次只能傳輸一個字節，所以把LPC3250的數據長度設置為8位。通信速率設置為500K。時鐘和相位極性和單片機端的設置一致即可。c8051f120_open部分代碼如下：

由于SPI的全雙工特性，同時進行讀寫操作，所以，c8051f120_write只通過copy_from_user函數接收應用程序要發送給單片機的數據，并將其保存在內核空間的數據結構中，等待c8051f120_read函數讀單片機的同時把此數據發送給單片機。

c8051f120_read函數是LPC3250與C8051F120通信的重點，它讀取C8051F120中的數據，并通過 copy_to_user函數傳給應用程序。c8051f120_read函數的程序流程如圖4所示。

圖4 c8051f120_read函數流程圖Fig.4 Flow chart of c8051f120_read function

當應用程序通過read系統調用進入c8051f120_read后，先拉低片選信號。然后檢查接收FIFO是否為空，因為LPC3250每秒讀取一組數據，為了將數據和時間對應起來，每次讀取前，需要確保接收FIFO為空。然后，讀取N個數據后。每次讀取數據的方法：啟動一次數據傳輸，并通過查詢SSP0狀態寄存器SSP0SR的第4位是否為0來確定數據傳輸是否結束。傳輸結束后，當接收FIFO中有數后，讀取數據，并轉換成char類型后存放在char型的一維數組中。如此，讀取N個數據后，將一維數組中的N個字節通過copy_to_user函數傳遞的應用程序所在的用戶空間，并返回傳遞字節數。

c8051f120_release對應著系統調用中的close函數。它需要完成這個驅動所涉及的配置寄存器的復位。在c8051f120_release中，只需做與c8051f120_open相反的任務，將SSP控制器相關的寄存器復位，然后給出文件關閉的打印提示。

3.2 單片機中斷信號產生驅動設計

此驅動程序與SPI通信的驅動程序在結構上是一樣的，都是要實現struct file_operations結構中函數。此驅動模塊只實現了open、release和write函數。

在open中，設置GPO_20輸出高電平。在write中，先把GPO_20輸出電平拉低2ms，然后再拉高。在release中，GPO_20輸出電平拉。

4 Linux應用程序設計與測試

系統應用程序一方面實現系統功能，另一方面可以對驅動程序進行測試。此處介紹的應用程序主要用于測試使用。應用程序的流程如圖5所示。

圖5 Linux下應用程序流程圖Fig.5 Application flow chart under Linux

程序中，先讀單片機數據，然后再向單片機發送秒脈沖信號，讓其進入外部中斷0更新待發送數據，這樣做的原因是，系統讀取數據并通過以太網發送數據和向SD卡存儲數據所用時間很短，所以在此之后讓單片機產生中斷，單片機可以有1秒的時間更新數據。

通過以太網接收和SD卡上的已存數據以及單片機實際所發數據可以驗證ARM和單片機的數據通信系統。測試表明，本文所介紹的系統，完全滿足LPC3250和C8051F120的通信要求。

5 結 論

根據項目需求，文中設計了基于ARM-Linux和單片機的數據通信系統，成功的實現了LPC3250和C8051F120基于SPI總線的通信。該系統通信速率高，數據處理能力強，擴展性好，且穩定、可靠，具有實際的工程應用價值，且對于其他單片機和ARM的通信系統也有一定的參考價值。

[1]陳萍，姜秀杰.基于FPGA的CAN總線通信系統[J].計算機測量與控制，2009，17（12）:2482-2484.

CHEN Ping，JIANG Xiu-jie.System for CAN BUS communication based on FPGA[J].Computer Measurement&Control， 2009，17（12）:2482-2484.

[2]易志明，林凌.SPI串行總線接口及其實現[J].自動化與儀器儀表，2002（6）:45-48.

YIZhi-ming，LIN Ling.SPIserialbus interface and implementation[J].Automation&Instrumentation，2002（6）:45-48.

[3]蔡堯，崔峰.Linux環境下基于MPC8250的SPI接口驅動程序開發[J].電子元器件應用，2007，9（11）:12-15.

CAI Yao，CUI Feng.SPI interface and driver development based on MPC8250 under Linux.Electronic Component&Device Applications，2007，9（11）:12-15.

[4]李俊.嵌入式Linux設備驅動開發詳解[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[5]張雷.嵌入式Linux設備驅動程序設計與實現[D].成都：西南交通大學，2011.

[6]魏永明，耿岳.Linux設備驅動程序[M].北京：中國電力出版社，2006.