摘? 要: 介紹了利用ColdFire uClinux實現數據采集" title="數據采集">數據采集和傳輸。這項技術被用在大型集裝箱檢測系統中,取得了很好的效果。

　　關鍵詞: ColdFire? uClinux? 數據采集

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　　在ColdFire上嵌入uClinux操作系統是一項比較成熟的技術,它一般應用在手持設備、家庭網關、工業控制中。但在數據采集應用中使用這項技術卻不是很常見,原因是uClinux不是實時操作系統,而數據采集應用對數據采集的實時性" title="實時性">實時性要求很高。本文介紹如何利用在ColdFire上嵌入uClinux操作系統的方法來實現數據的采集和傳輸。

1 硬件平臺

　　任何嵌入式應用系統都離不開具體的硬件平臺,這里先介紹一下系統所采用的硬件平臺。圖1所示即為硬件結構的示意圖。其中,SPM是數據處理模塊,它控制前端的A/D變換,根據設定的采集周期將A/D變換后的數據保存在其內部的RAM中;同時發出一個中斷信號。ColdFire 5307 xBoard是基于Motorola公司高性能嵌入式32位處理器ColdFire 5307自行開發的嵌入式應用開發板。其硬件配置包括:

　　ColdFire5307 90MHz 32位處理器;16M SDRAM;2M Flash ROM;10Mbps以太" title="以太">以太網接口;兩個UART串口;兩個64針的地址和數據總線接口。

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　　ICS(圖像控制工作站)和IDS(圖像數據工作站)是兩個工作站,用來對系統實現控制,對圖像數據實現處理。xBoard和工作站處在同一個以太網上,該以太網上還配有其它的設備。uClinux所要實現的功能是實時地將SPM上采集的數據通過以太網傳到IDS上,同時接收來自ICS的命令以對SPM進行控制。

2 SPM和xBoard之間的連接

　　uClinux需要讀取SPM中的RAM,所以最好是把SPM中的RAM作為uClinux的內存地址的一部分。SPM和xBoard上MCF5307之間的硬件連接如圖2所示。

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　　SPM中RAM的地址線、數據線和控制線直接連到CPU的總線上。除了硬件上的連接之外,還需要設置MCF5307的寄存器,為SPM上的RAM分配內存空間。xBoard在加電時首先運行debug程序,所以在debug中進行寄存器的設置是比較合適的。在debug源代碼中的sysinit.c文件里的mcf5307_cs_init函數中加上下面的語句:

　　MCF5307_WR_CS_CSAR5(imm，0xa000)　　　；?SPM的地址從0xa0000000開始

　　MCF5307_WR_CS_CSCR5(imm，0x3d40)　　　；采用8位的讀方式

　　MCF5307_WR_CS_CSMR5(imm，0x01FF0001)　；空間大小為1M

　　將SPM控制的引腳和MCF5307的并口引腳相連,這樣對SPM的控制就只需設置并口的相應位了。

3 uClinux下的實時性

　　uClinux并不是一個實時操作系統(RTOS),如何使用uClinux完成有實時性要求的數據采集是需要考慮的問題。由于應用中只有一個實時的任務——從SPM中讀取數據,所以采用中斷的方式來對數據采集完的信號提供實時響應。下面的代碼用來向uClinux注冊IRQ7中斷處理程序" title="中斷處理程序">中斷處理程序:result=request_irq(ECM_IRQ，ecm_interrupt，0，“ecm”，NULL)；

　　在中斷處理程序中,先關閉中斷,因為中斷嵌套在這里是沒有意義的,還有一個重要的原因是SPM中斷信號的低電平持續時間比較長。CPU是利用低電平來標志中斷信號的,所以CPU可能在SPM的一個中斷信號中檢測到多次中斷。關閉中斷后,從SPM的RAM中讀取數據。由于SPM和xBoard之間的連接已得到保證,SPM的內部RAM成為uClinux的內存空間的一部分,所以讀數據的工作是很簡單的,只是將數據從一個地址讀到另外一個地址,讀完數據后打開中斷。讀數據之間發生的中斷都會被忽略。讀數據塊的大小為4096字節,讀完所有的數據需要2ms。所以在采集周期低于2ms的情況下,系統無法正常工作。不過這個指標低于應用的要求。

4 數據的臨時存放

　　xBoard上并沒有大的存儲設備,所以uClinux采集的數據必須及時地傳送出去。以太網上通過交換機連接著多個設備,在網絡繁忙的時候并不能保證數據會被及時地傳出去。解決這個問題的方法是開辟一個緩沖區,將暫時無法傳出去的數據放在緩沖區中。

　　由于沒有MMU的支持,uClinux不能提供內存保護機制,進程可以隨意讀取任何內存地址。這樣,在帶來方便的同時也增加了一些麻煩。方便的一面表現在可以在進程中開辟緩沖區,在內核中用同樣的地址使用該緩沖區;不利的一方面表現在開辟動態內存必須十分小心,不能和其它進程發生重疊。

　　在進程中開辟了50個數據緩沖片,這些緩沖片通過三個雙向鏈表" title="鏈表">鏈表維持形成緩沖區。所有的緩沖片被掛在一個稱為list的雙向鏈表中,退出進程的時候,應該將這些動態內存釋放。同時,將存有有效數據(即尚未被發送出去的數據)的緩沖片放在稱為dirty的雙向鏈表中,將可以使用的緩沖片放在稱為clean的雙向鏈表中。中斷處理程序每次從clean鏈表中取得一個緩沖片,存入數據后放到dirty鏈表中;相反,發送進程每次從dirty隊列中取一個緩沖片,發送其中保存的數據,然后把它放到clean鏈表中。這樣可以在一定程度上為網絡速度的不穩定提供緩沖。

5 uClinux上運行任務的分析

　　在uClinux上運行了三個任務:讀取采集數據、通過以太網發送數據、接收和執行來自ICS的命令。其中的讀取采集數據任務對實時性有要求,把它用中斷處理程序來實現,而其它的兩個任務則通過用戶進程來實現。通過以太網發送數據的任務和讀取采集數據的任務共享一個緩沖區,通過ioclt函數在它們之間傳遞緩沖區雙向鏈表的地址。所以還需要為SPM注冊一個驅動程序,這也是在uClinux操作中比較特別的進程和內核通信的方法。同時,把對SPM的設置和查詢等操作也包裝在這個驅動程序里面,這些操作都是通過ioctl函數向進程提供接口。注冊驅動程序的函數是:

　　result=register_chrdev(ECM_MAJOR，“ecm”，&ecm_fops)；

　　可見,這里把SPM作為一個字符型的設備。由于緩沖區是共享的,所以必須提供一個鎖機制,使得在某個進程向緩沖片中寫數據時,其它的進程不讀或寫該緩沖片。

????uClinux不僅在信息家電、低端網絡設備和工業控制領域中有較廣的應用,而且在簡單的數據采集和傳輸方面也有了應用方案。

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參考文獻

1 ALESSANDRO RUBINI. Linux Device Drivers. 北京:中國電力出版社， 2000

2 Daniel P. Bovet， Marco Cesati. Understanding the Linux?Kernel， 2nd Edition.O’Reilly， December 2002

3 uClinux White Paper.ARCTURUS NETWORKS INC. www.arcturusnetworks.com