物聯網數據采集器硬件設計

■ 高學群

Linux 系統作為嵌入式操作系統有著明顯的優勢，首先，Linux源代碼是開放的，全球的Linux 愛好者都是在不斷地開發完善Linux內核；其次，Linux 系統內核很小，最小可達約134KB。同時Linux 內核的更新速度很快并且可以定制。Linux 一大亮點就是免費。Linux 適應多種CPU 硬件平臺表現了嵌入式操作系統必須的特色。如今，Linux 操作系統不僅支持二三十種CPU，而且容易開發、使用和性能良好。Linux的平臺移植成為CPU 芯片行業的熱門項目，移植速度更是超過了Java。在網絡方面，Linux 內核的結構更有優勢，能夠完備的支持TCP/IP 協議并且能夠提供了最高千兆的以太網以及無線等網絡支持。

本設計選用Linux作為軟件平臺進行開發,內核版本2.6.39。

1 基于Linux 的設備驅動介紹

設備驅動在字面可以清楚的理解為“驅使硬件設備行動”。驅動是與底層硬件接觸，而不同硬件設備具有不同的工作方式，所以驅動要按照具體的工作方式讀寫硬件設備寄存器，完成中斷處理、物理內存向虛擬內存的映射等，使設備各功能能夠正常工作，如能夠收發數據的通信設備，能顯示文字的顯示設備等。

驅動的對象不是CPU 內核而是存儲器和外設。Linux把存儲器和外設分為字符設備、塊設備和網絡設備。字符設備是像觸摸屏、鼠標之類的以串行順序依次進行訪問的設備。塊設備是可以用任意順序進行訪問并經過系統的快速緩沖的設備。雖然字符設備不經過系統的快速緩沖，但是它們之間并沒有明顯的界限，就像有塊設備特點的Flash 設備，也可以把它看成一個字符設備來訪問。網絡設備主要是接收和發送數據包。

2 設計的嵌入式Linux 驅動程序設計

2.1 串口底層驅動程序

異步串口是通信最常用的資源。RS-232 和RS-485都是串行數據接口標準。RS-485比RS-232在傳輸速度、距離等方面都有著明顯優勢，同時一條總線上最多可連接32 個接收器。由于它們的時序完全一樣，只是在電氣特性上有所區別，所以它們之間也很容易實現轉換。

串口驅動位于tty 子系統。對于用戶來說，訪問串口與訪問其它字符設備的方法一樣，都是通過系統調用訪問設備文件從而訪問設備。串口主要有open 函數，read函數，write函數。因此驅動程序中也要實現這三個實現函數，如圖1 串口驅動包含以下部分：

圖1 串口驅動程序結構

本設計基于Linux-2..639內核源碼完成對串口驅動程序的開發。其主要代碼在linux-2.6.39drivers tyserialatmel_serial.c 中實現。其中部分函數如下：

（1）驅動加載與卸載函數

（2）開始發送數據

本設計基于Linux-2..639內核源碼完成對串口驅動程序的開發。其主要代碼在linux-2.6.39drivers tyserialatmel_serial.c 中實現。其中部分函數如下：

（1）驅動加載與卸載函數

（2）開始發送數據

2.2 以太網口底層驅動程序

在物聯網發展的今天，嵌入式系統都會擁有網絡模塊。以太網作為通信接口有著傳輸速度快、穩定等優點。它也可以作為嵌入式系統開發的調試的接口。Linux網絡驅動程序的體系結構如圖2 所示

圖2 Linux 網絡驅動程序的體系結構

網絡設備接口及以上層次的源碼都可以通過Linux 內核中找到，因此對于特定網絡硬件驅動程序的移植關鍵在于設備驅動功能層，包含接收數據、發送數據等控制。所有網絡設備在Linux 中都可以抽象為一個接口，網絡設備在內核中的運行情況由網絡設備接口（結構體struct net_device）來表示。以dev_base 為頭指針的設備鏈表（每個元素代表一個網絡設備接口）管理著所有網絡設備。大部分供系統訪問和協議層調用的設備方法都在結構體net_device 中，有init 函數（初始化）、open 和stop 函數（設備打開關閉）、hard_start_xmit 函數（數據包發送）以及中斷處理函數等。

本設計基于Linux-2.6.39內核源碼完成對網口驅動程序的開發。其主要代碼在linux-2.6.39drivers etfec.c中實現。其中部分功能如下：

（1）網絡設備驅動程序的模塊加載與卸載函數

（2）網絡設備驅動的初始化

（3）網絡設備打開與釋放

（4）數據包發送函數

2.3 液晶顯示底層驅動程序

嵌入式處理器能夠提供一個良好的人機交互平臺，屏幕主要有LCD，液晶等。幀緩沖存儲器是Linux 操作系統提供一個接口，以便連接顯示設備，并且能夠讓上層應用程序直接進行讀寫顯示緩沖區，方便用戶使用。

fbmem.c 中的file_operations 結構體是幀緩沖設備提供給用戶空間的，對應的xxxfb.c 文件實現對于特定幀緩沖設備關于fb_info結構體的注冊與注銷等，以及fb_ops中成員函數，LCD 控制器硬件寄存器由fb_ops 中成員函數操作。Linux 幀緩沖設備驅動程序結構見圖3。

圖3 幀緩沖設備驅動的程序結構

本設計基于Linux-2.6.39內核源碼完成對顯示屏驅動程序的開發。其主要代碼在linux-2.6.39driversvideoatmel_lcdfb.c 中實現。其中部分函數如下：

（1）幀緩沖設備驅動的模塊加載與卸載函數

（2）平臺驅動的探測與移除函數

（3）幀緩沖設備驅動的讀寫函數

2.4 按鍵輸入底層驅動程序

在嵌入式系統中，有許多輸入設備，如觸摸屏、按鍵、鼠標等。本設計采用了6 個按鍵完成輸入功能，其底層驅動的結構如圖4。

圖4 按鍵驅動程序結構

（1）按鍵驅動模塊的加載和卸載函數

（2）實現設備操作函數