基于ARM Linux的嵌入式温度监测系统设计与实现

基于ARMLinux的嵌入式温度监测系统设计与实现Research.Developmentl

基于ARMLinux的嵌入式温度

监测系统设计与实现

DesignandImplementationofanEmbeddedTemperature

MonitoringSystemBasedonARMandLinux

禹业中余有灵

(同济大学电子与信息工程学院,上海201804)

摘要:研究了基于ARM9的嵌入式Linux系统在温度监测系统中的应用,介绍了系统的硬件结构和软件实现

过程,讨论了如何在主控制器端口驱动能力不足时的解决方法,以及如何在嵌入式Linux下实现单总线协议的问题.

与传统的单片机控制相比,系统具有测温精度高,扩展性强,可靠性高等特点,为中规模温度监测应用提供了一种良

好的解决方案.

关键词:嵌入式ARMLinux.单总线DSI8B20

doi:10.3969/j.issn.1007—080X.2010.01.O11

Abstract:ThispaperpresentsanembeddedtemperaturemonitoringsystembasedonARMandLinux.Describesthe

hardwarearchitectureandsoftwareimplementation.Focusesontheproblemsofhowtoincreasecurrentdrivecapabilityand

howtoimplement1?wireprotocolunderLinux.Ascomparedtoconventionalsingle-chipsystems,thissystemachieves

higheraccuracy,scalabilityandreliability,providesagoodsolutionformedium-scaletemperaturemonitoringapplications.

Keywords:embeddedARMLinux1-wireDS18B20

0引言

在工农业生产和日常生活中,对温度的监测始终占据着极

其重要的地位.当前使用广泛的单片机温度采集系统可以满

足大部分的需求,但是随着科学技术的不断发展,对温度监测

的要求不断提高,比如在精度,实时性,和功能扩展性等.此时,

单片机系统的性能局限性问题就比较突出.

基于以上原因,设计并实现了基于ARMLinux的嵌入式温

度监测系统.系统以当前应用非常广泛的ARM9为核心,在此

硬件平台上运行免费而稳定的Linux操作系统,使用了支持单

总线协议的DSI8B20数字式温度传感器,具有精度高,系统扩

展性强,可靠性高,实时性能好,体积小,功耗低等特点,为中范

围温度监测应用提供了一个良好的通用型解决方案.

1系统总体方案设计

系统以ARM9系列的微处理器$3C2410A为核心,使用嵌

入式Linux操作系统.系统的主要组成部分包括:嵌入式控制

器,前端温度采集模块,GPRS无线通信模块和远程监控中心.

本文着重介绍温度采集相关的软硬件在ARMLinux平台的实

现.GPRS数据传送部分都有相当成熟的产品,可以直接使用.

系统结构如图1所示.

2系统硬件结构设计

系统硬件设计以$3C2410微处理器为核心,通过GPIO数

字接口采集数字温度传感器DSI8B20的温度数据.其他外闱

电路包括2个RS232串口和1个RJ45网络接口,以及64M

SDRAM和64MNANDFLASH闪存,男有4个按键用于功能输

入,4个LED灯用作状态指示.

ARM处理器通过GPIO数字接口向温度传感器发送指令

进行交互,温度传感器在得到指令后将数据传送给ARM处理

器进行处理.

作者简介:禹业中1985年生,硕士研究生.主要研究方向为嵌入式系统以及Linux在嵌入式领域的应用.HC245芯片.74HC245是一

1.GND

54机电一体化l2010.1

图2驱动电路图

个双向总线收发器,其DIR引脚控制数据的传输方向.ARM处

理器的GPIO口中的GPG9作为单总线的数据输入/输出口.当

ARM发送数据时,设置DIR为高,数据传输方向为:GPG9—

74HC245的AO一单总线;当ARM接收数据时,设置DIR为低,

数据传输方向为:单总线----,74HC245的BO--+GPG9.74HC245

输出电流可以达到最大6mA,可满足中规模测温要求,同时电

路比较简单.

3软件设计与实现

在ARM半台上已经能够运行很多成熟的操作系统,如

Linux,WinCE,VxWorks和p,C/OS—lI等,本系统采用的是嵌入

式Linux.Linux是一个类似于Unix的操作系统,目前Linux不

仅支持i386平台,还在ARM,MIPS和POWERPC等平台有成功

的移植应用.在ARM平台l二的移植项目主要有ARMLinux

Project和应用于无MMU的ARM7的uCLinux.Linux应用于嵌

入式系统有以下的优势:(1)Linux免费,源代码公开;(2)有

很高的适应性和可靠件;(3)具有成熟的开发工具;(4)可以根

据需要灵活地配簧内核.r}1j上述优点,Linux在ARM平台有

着越来越广泛的应用.软件开发的主要任务包括:Linux驱动

程序开发,单总线协议的实现以及数据采集应用程序的开发.

3.1驱动程序开发

与无操作系统的单片机系统不同,运行ARMLinux的系统

需要为I/O端口编写专门的字符设备驱动程序,实现端口映射,

才可以对I/0口进行读写.

Linux下的驱动以模块的方式展现,可以单独作为模块在

运行时同内核连接,也可以直接把驱动编译到内核里面.动态

加载的内核模块可以将内核映像的尺寸保持在最小,并具有很

大的灵活性,这样便于检验新的内核代码,而不需要重新编译内

核并重新引导.因此本系统采用了动态加载的模块.

ARM的GPG9数字端口跟单总线通过接口芯片相连,需要

在驱动程序的初始化模块里面进行端口映射:_3

gPg—up=(unsignedlong)ioremap((unsignedlong)

0x56000068,4);

(unsignedlong})gPg—up&;Oxfffffdff;//设置GPG9

为上拉

gPg—con=(unsignedlong)ioremap((unsignedlong)

0x56000060,4);

(unsignedlong)gpg_eon&=0xfff3ffff;

(unsignedlong:It)gPg—conI=OxO0040000;//初始化的

时候设置GPG9为输出模式

gPg—dat=(unsignedlong)ioremap((unsignedlong)

0x56000064,4)

Major=register—chrdev(DRAM—MEM—MAJOR,DEVICE—

NAME,&io_gpg9一ops);

零

上面这段代码实现了对GPG端口相应的寄存器地址进行

的映射.最后,使用register_chrdev()函数向系统注册设备号.

在映射端口和注册设备号之后,就需要添加读写代码.在

Linux系统中,设备被当成文件进行读写.编写设备文件驱动程

序,需要完成structfile—operations中定义的llseek,read,write,

open和release的函数实现.

在驱动程序模块写好后,编译源文件为目标代码:

gcc—C—D—

KERNEL一

一

DMODULEio_gpg9.c?0io_

gpg9.0

生成的目标文件即为驱动程序.需要加载驱动时,首先用

mknod命令建立一个目录项和一个特殊文件的对应索引节点.

第一个参数是设备名称,C表示字符设备,105是主设备号,0代

表次设备号.

mknod/dev/io_

gpg9C1050

然后用insmod命令载入驱动模块:

insmod—fiogpg9.0

此时,就可以在应用程序里通过pb～dev=open(“/dev/io—

gpg9”,0一RDWR)这样的语句来打开设备,然后通过read()和

write()进行读写.

对单总线设备进行读写,具体来讲就是按照单总线协议的

要求输出电平信号序列和读入电平信号序列.单总线属于串

行总线,要进行可靠的数据传输,必须严格按照协议标准执行.

根据Maxim公司的数据手册,要进行标准单总线通信,需要做

到精确的lus延时,并且通信过程不能中断.Linux驱动程序运

行在内核空间,2.4版本Linux内核不支持内核抢占,内核代码

可以一直执行,直到完成为止.为了确保时序的准确,需要把单

总线协议实现的代码都放在驱动程序里面.

3.2单总线协议的实现

单总线读写代码包括4种基本的操作:复位(reset),写1

(write1bit),写O(write0bit)和读位(readbit).进行这些基本

操作需要严格遵循单总线时序标准的要求,使用Maxim提供的

单总线典型时序值可以使系统具有最大的鲁棒性.字节操作

可以通过对位操作的组合调用来实现,进行特定的连续字节操

作,就构成了DS18B20的指令,如常用的指令SKIPROM,其指

令码为CCh.

访问DS18B20都需要遵循同定的流程:

(1)初始化:发送一个初始化脉冲(复位脉冲),信号线上

的传感器都被复位,传感器发送在位脉冲(presencepulse),表示

已经就绪;

(2)ROM命令:对DSI8B20独一无二的64位ROMID号

进行操作,指定需要通信的DSI8B20,没有指定的传感器不会

响应;

(3)DS18B20功能命令:功能指令允许主控系统读写

DSI8B20的存储器(包括读取温度的指令),初始化温度转换,

Research.Developmenti圃圜—嘲

确定供电模式等.

需要注意的是,如果以上某一步骤遗漏或者顺序错误的

话,DS18B20就不会响应(除了ROM指令是searchROM和

alarmsearch的情况).

如图3,在程序中对DSI8B20的操作分成三个部分.首先,

需要搜索连在单总线上的所有DS18B20序列号;然后对所有的

传感器发送温度转换指令,在l2位精度下,转换时间不超过

750ms,经过转换后,温度值会写到DS18B20内部暂存器中;最

后,依次读取所有传感器的温度值.

图3DSISB20操作流程图

一

个读取某个温度传感器温度值的典型程序代码段如下:

ds—init();//初始化

ds—

write—byte(MATCH—ROM);//发送match—ROM

指令

f0r(i:0;i<8;i++)//发送64位序列号

ds—write—

byte(the—rom[i]);

ds_writebyte(CONVERT);//发送convert指令

ds—init();

ds—

write—byte(MATCH—ROM);

for(i=0;i<8;i++)

ds_

write_byte(the—rom[i]);

ds—

write—byte(READ—PAD);//发送readscratchpad

指令

lsb=ds—

read～

byte();//读取低位字节

msb=ds_readbyte();//读取高位字节

在上文所述驱动程序的基础上,需要编写相应的上层应用

程序.系统的应用程序主要运行于嵌入式控制器,负责数据的

采集和发送,并向GPRS模块提供必要的数据等.

(下转第62页)

2010.1I机电一体化55

空间太阳电池片封装机器人及温度控制系统设计

表1空问太阳电池片自动封装机器人产品质量

?不存在直径0.5～Imm或更大的气泡,安全范用内的小泡偶尔产生.

??工艺参数设计好,不会发生溢胶.

??电池片长度或宽度方向上中问位黄偶尔会发现溢胶现象,电池片四角

会出现缺胶现象.

结果表明,新型太阳电池自动封装系统有效提供了生产质

量和效率,温度控制系统更是极大地延长了盖片胶使用时间,

对提高封装质量起到了很好的作用.

4结语

温度对封装过程存在着显着的影响,从实验中可以清晰地

看出温度的精确控制对封装效果产生了很好的影响.气泡,边

缘错位都因为胶体温度的均衡和稳定而得到了显着的改善.

对于该温控系统还可以对其进行温度场的建模,分析优化其结

构,并对胶体流动受温度的影响情况进行建模,找出最适合封

装时的温度值,以此优化温度控制方案.

参考文献

[1]IhsPA.Evolutionofspacesolarcells.SolarEnergyMaterialsand

SolarCells,2001,68:1—13.

[2]WojtczukS,ReinhardtK.In:High-powerdensity.GaAscellsfor

uhralightaircraft.Proceedingsofthe25thIEEEPhotovoltaie

SpecialistsConference,Washington,D.C.,USA,May13一

l7.1996.

[3]HayaawaT,NasunoY,KondoM,eta1.Mtcrocrystallinesiliconthin.

filmsolarcells.ShapuGiho/SharpTechnicalJournal,2002.83:

45—48.

[4]YangQH.Studyonautomaticbondingrobotofaspacesolarcell

[M].ShanghaiJiaoTongUniv.Press:Shanghai.China.2004.

[5]FuZhuang,ZhaoYanzheng.Autobondingrobotforspacesolarcells

[J].Robotica,2005,23(5):561—565.

[6]FuZhuang,ZhaoYanzheng.YangQinghua.Apredictionmodelofthe

adhesivecoatingthicknessonaspacesolarcell[J]:●1.i@f-0l●,

№;粤;嗍轴fIl,6o●l”70c8

粕:t:R州isfeI,6set137ec8

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