基於IEEE802.11b的EPA溫度變送器設計

摘要：介紹一種基於IEEE802.11b的EPA溫度變送器的設計方案，闡述系統硬體和軟體結構，說明嵌入式Linux系統中驅動程序的開發過程。系統以S3C2410為核心器件，可以很好地完成溫度數據的採集處理，並可以通過IEEE802.11b接入點與相關設備進行通信，且在基於EPA標準的無線區域網系統中進行了測試。

引言
    IEEE802.11是IEEE無線區域網標準，主要用於用戶終端的無線接入。IEEE802.11隻規定了開放式系統互聯參考模型的物理層和介質訪問子層，其MAC層利用載波監?多路訪問/衝突避免（CSMA/CA）協議；定義了單一的MAC層和多樣的物理層，其物理層標準主要有IEEE802.11b、IEEE802.11a和IEEE802.11g。IEEE802.11b標準是IEEE802.11協議標準的擴展，最高可以支持11 Mbps的數據速率，運行在2.4 GHz的ISM頻段上，採用的調製技術是CCK,支持數據業務。
　本文詳細分析了採用S3C2410處理器平台具體實現運用於EPA網路的IEEE802.11b無線實時溫度採集器的開發流程，並對串口通信的調試手段及常見問題進行了探討。

1 溫度變送器的硬體設計
　溫度變送器系統平台硬體系統功能如圖1所示。該平台的核心器件是Samsung公司的處理器S3C2410，外部擴展了16 MB、16位的Flash內存和64 MB、32位的SDRAM。處理器S3C2410通過UART介面和溫度變送器相連，通過USB介面和一個IEEE802.11b網路介面卡相連，通過RS232串口和外部PC相連。溫度變送器採集到的溫度數據輸入系統緩衝區中，處理器S3C2410可對緩衝數據直接進行相關處理；處理后的數據可以通過RS232串口傳送給外部宿主機PC，也可通過IEEE802.11b網路介面卡發送到無線區域網上。
 
圖1硬體系統功能
　S3C2410處理器功能十分強大，資源豐富。它內部集成了ARM公司的32位微處理器ARM920T，主頻最高可達203 MHz，具有獨立的16 KB指令Cache和16 KB數據Cache，還有LCD控制器、RAM控制器、NAND快閃記憶體控制器、3路UART、4路DMA、4路帶PWM的Timer、并行I/O口、8路10位ADC、觸摸屏介面、2個USB介面控制器和2路SPI。
　從外部溫度感測器採集到的數據經S3C2410 CPU數據處理模塊傳回到IEEE802.11b USB介面卡；IEEE802.11b的無線通信模塊經IEEE802.11b的接入點傳到外部乙太網絡中。

2 溫度變送器的軟體系統設計
　　溫度變送器軟體系統設計流程如圖2所示。系統分3步實現：
① 為溫度變送器編寫內核驅動程序；
② 編寫溫度數據採集應用程序，通過串口獲取溫度數據並進行相應的EPA報文打包處理；
③ 利用無線網路將處理數據發送給上位機。前面提到系統平台上運行的是ARM Linux。在啟動后啟用了MMU，系統進入保護模式，所以應用程序不能直接讀/寫外設的I/O區域(包括I/O埠和I/O內存)。這時一般要藉助於該外設的驅動來進入內核態完成這項工作。

 
圖2 軟體系統設計流程

2.1 串口的驅動實現
　在Linux下，設備驅動程序可以看成Linux內核與外部設備之間的介面。設備驅動程序嚮應用程序屏蔽了硬體實現上的細節，使得應用程序可以像操作普通文件一樣來操作外部設備，可以使用和操作文件中相同的、標準的系統調用介面函數來完成對硬體設備的打開、關閉、讀/寫以及I／O控制操作； 而驅動程序的主要任務也就是要實現這些系統調用函數。本系統平台使用的嵌入式ARM Linux系統在內核主要功能上與Linux操作系統沒有本質區別，所以驅動程序要完成的任務也一樣；只是編譯時使用的編譯器、部分頭文件和庫文件等要涉及具體處理器體系結構， 這些都可在Makefile文件中具體指定。當應用程序對設備文件進行諸如open、close、read、write等系統調用操作時，Linux內核將通過file_operations結構訪問驅動程序提供的函數。例如，當應用程序對設備文件執行讀操作時， 內核將調用file_operations結構中的read函數。在系統平台上對串口數碼攝像頭驅動，首先把串口驅動模塊靜態編譯進內核，使平台支持串口;再在須使用溫度採集時，使用insmode動態載入其驅動模塊。這樣溫度感測器就可正常工作了，接著進行下一步——對溫度的採集編程。

2.2 溫度數據採集模塊
　在溫度變送器串口被驅動后，需要再編寫一個採集溫度的應用程序。根據嵌入式系統開發特徵，先在宿主機上流程編寫應用程序；再使用交叉編譯器進行編譯、鏈接，生成目標平台的可執行文件。宿主機與目標板通信採用列印終端的方式進行交叉調試， 成功后移植到目標平台。編寫採集程序是在安裝Linux操作系統的宿主PC機上進行的，其程序流程如圖3所示。
 
圖3溫度數據採集程序

　　程序運行流程如下：

1. 初始化設備功能，發送03H給溫度變送器。如果初始化失敗，則重複發送初始化功能碼2次，若都失敗則返回；若成功則進入下一步。
2.  進行數據查詢，查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設備要實現何種功能。數據段包含了從設備要實現功能的任何附加信息，即讀取或修改的起始地址以及數據數量。CRC校驗為從設備提供了一種驗證消息內容是否正確的方法。
3. 如果從設備產生一個正常的響應，則響應消息中的功能代碼是查詢消息中的功能代碼的回應。數據段包括了從設備收集的數據。如果有錯誤發生，則從設備將修改功能代碼以表明此回應是一個異常的回應；同時數據段中包含相應的錯誤代碼，CRC校驗用於主設備判斷響應幀內容的正確性。
4. 將從設備得到的數據運用EPA協議棧進行數據的封裝，然後通過IEEE802.11b無線網卡發送到數據分析設備。
5.  根據對數據的處理，將得到返回的數據，程序再將返回數據寫入從設備。如果寫入失敗，則連續寫兩次，若仍失敗則跳出。

　　系統採用主從通信技術， S3C2410處理器模塊作為主設備，溫度感測器作為從設備。主設備可以對溫度感測器進行初始化，併發出查詢指令；溫度感測器根據主設備查詢指令實現相應的功能。S3C2410處理器模塊查詢的格式包括功能代碼、所有要發送的數據和CRC校驗域；從設備回應消息也包括相應的功能代碼、任何要返回的數據和CRC校驗域。如果在消息接收過程中發生錯誤，從設備將構造一錯誤幀並將其作為應答回應。程序中構造的幀格式如下：
 
　　主設備查詢幀

 
　　從設備響應幀

　　當主設備查詢從設備時，它希望得到從設備的正常響應，但可能有3種處理情形：

1.  從設備收到了主設備的查詢，且全部校驗正確，從設備就產生正確的響應。
2. 從設備由於通信錯誤等沒有收到主設備的查詢，因此也就無法產生響應。這時主設備將通過超時判斷查詢的錯誤。
3. 從設備收到了主設備的查詢，但檢測出通信幀內容出錯（如CRC校驗出錯或非法的起始地址等），這時從設備將產生異常響應通知主設備相關的錯誤信息。

　　最後將採集數據用EPA協議棧打包，並利用無線網路進行傳輸。

2.3 無線網路模塊
　　無線溫度變換器的實時數據無線網路模塊是將無線網卡注入內核，“插槽”驅動層通過API為PC卡服務層提供服務，編寫“插槽”層驅動就是實現這些API函數。PC卡服務層維護著一張函數表，記錄已登記的“插槽”驅動層的API函數，相應地提供了兩個介面函數用來登記和取消登記一個“插槽”驅動層的API函數。定義如下：

　　int register_ss_entry(int nsock, ss_entry_t ss_entry)；
　　int unregister_ss_entry(int nsock, ss_entry_t ss_entry)；
　　typedef int (*ss_entry_t)(u_int sock, u_int cmd, void *arg)；

•  函數register_ss_entry： 用來登記一個“插槽”驅動層服務函數。
•  函數unregister_ss_entry： 用來取消指定函數的登記，表明“插槽”層不再提供該服務。
•  具體服務函數ss_sentry： 該函數的編寫是核心。它包括3個參數： 第1個參數sock是插槽編號；第2個參數cmd是命令，即服務函數的編碼；第3個參數是一個void類型的指針，用來傳遞任意的參數。

　　PCMCIA“卡和插槽服務”（Card and Socket Services）軟體規範要求插槽層提供的服務共有12項，Linux操作系統定義在include\\pcmcia\\ss.h文件里。

　　enum ss_service {
　　　　SS_RegisterCallback, SS_InquireSocket,
　　　　SS_GetStatus, SS_GetSocket, SS_SetSocket,
　　　　SS_GetIOMap, SS_SetIOMap, SS_GetMemMap, SS_SetMemMap,
　　　　SS_GetBridge, SS_SetBridge, SS_ProcSetup
　　};

3 測試
　　首先在宿主機PC上使用交叉編譯器編譯、鏈接溫度數據採集程序，使之生成可執行代碼，然後移植到目標平台上。為了進一步觀察採集的溫度數據效果，可在目標平台帶網路支持的基礎上編寫一個網路通信程序，把採集到並處理成浮點型的溫度數據通過網路傳輸到PC機上進行顯示。搭建無線溫度變送器的測試系統如圖4所示。
 
圖4 IEEE802.11b

　　無線溫度變送器的測試系統無線監控系統採集的基於S3C2410的IEEE802.11b無線溫度變送器的實時數據如圖5所示。
 
圖5IEEE802.11b

4 結論
　　實際的溫度測量數據表明，基於IEEE802.11b的EPA溫度數據採集器可以很好地完成溫度數據的採集處理，並通過無線接入點與相關設備進行通信。另外，在基於EPA標準的無線區域網系統應用中，驗證了此設計的可行性。

參考文獻
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