通過(guò)使用ColdFire uClinux完成數據采集和傳輸論文

　　摘要：介紹了利用ColdFire uClinux實(shí)現數據采集和傳輸。這項技術(shù)被用在大型集裝箱檢測系統中，取得了很好的效果。

　　關(guān)鍵詞：ColdFire uClinux 數據采集

　　在ColdFire上嵌入uClinux操作系統是一項比較成熟的技術(shù)，般應用在手持設備、家庭網(wǎng)關(guān)、工業(yè)控制中。但在數據采集應用中使用這項技術(shù)卻不是很常見(jiàn)，原因是uClinux不是實(shí)時(shí)操作系統，而數據采集應用對數據采集的實(shí)時(shí)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(lái)實(shí)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(kāi)具體的硬件平臺，這里先介紹一下系統采用的硬件平臺。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(shí)發(fā)出一個(gè)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(kāi)發(fā)的嵌入式應用開(kāi)發(fā)板。其硬件配置包括：

　　ColdFire5307 90MHz 32位處理器；16M SDRAM；2M Flash ROM；10Mbps以太網(wǎng)接口；兩個(gè)UART串口；兩個(gè)64針的地址和數據總線(xiàn)接口。

　　ISC（圖像控制工作站）和IDS（圖像數據工作站）是兩個(gè)工作站，用來(lái)對系統實(shí)現控制，對圖像數據實(shí)現處理。XBoard和工作站處在同一個(gè)以太網(wǎng)上，該以太網(wǎng)上還配有其它的設備。uClinux所要實(shí)現的功能是實(shí)時(shí)地將SPM上采集的數據通過(guò)以太網(wǎng)傳到IDS上，同時(shí)接收來(lái)自ICS的命令以對SPM進(jìn)行控制。

　　(收集整理)

　　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。

　　SPM中RAM的地址線(xiàn)、數據線(xiàn)和控制線(xiàn)直接連到CPU的總線(xiàn)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(shí)首先運行debug程序，所以在debug中進(jìn)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(yǔ)句：

　　MCF5307_WR_CS_CSAR5（imm,0xa000）； SPM的地址從0xa0000000開(kāi)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，這產(chǎn)對SPM的控制就只需設置并口的相應位了。

　　3 uClinux下的實(shí)時(shí)性

　　uClinux并不是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統（RTOS），如何使用uClinux完成有實(shí)時(shí)性要求的數據采集是需要考慮的問(wèn)題。由于應用中只一個(gè)實(shí)時(shí)的任務(wù)——從SPM中讀取數據，所以采用中斷的方式來(lái)對數據采集完的信號提供實(shí)時(shí)響應。下面的代碼用來(lái)向uClinux注冊IRQ7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(guān)閉中斷，因為中斷嵌套在這里是沒(méi)有意義的，還有一個(gè)重要的原因是SPM中斷信號的低電平持續時(shí)間比較長(cháng)。CPU是利用低電平來(lái)標志斷信號的，所以CPU可能在SPM的一個(gè)中斷信號中檢測到多次中斷。關(guān)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，所以讀的工作是很簡(jiǎn)單的，只是將數據從一個(gè)地址讀到另外一個(gè)地址，讀完數據后打開(kāi)中斷。讀數據之間發(fā)生的中斷都會(huì )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(wú)法正常工作。不過(guò)這個(gè)指標低于應用的要求。

　　4 數據的臨時(shí)存放

　　xBoard上并沒(méi)有大的存儲設備，所以uClinux采集的數據必須及時(shí)地傳送出去。以太網(wǎng)上通過(guò)交換機連接著(zhù)多個(gè)設備，在網(wǎng)絡(luò )繁忙的時(shí)候并不能保證數據會(huì )被及時(shí)地傳出去。解決這個(gè)問(wèn)題的方法是開(kāi)辟一個(gè)緩沖區，將暫時(shí)無(wú)法傳出去的數據放在緩沖區中。

　　由于沒(méi)有MMU的支持，uClinux不能提供內存保護機制，進(jìn)程可以隨意讀取任何內存地址。這樣，在帶來(lái)方便的同時(shí)也

　　增加了一些麻煩。方便的一面表現在可以在進(jìn)程中開(kāi)辟緩沖區，在內核中用同樣的地址使用緩沖區；不利的一方面表現在開(kāi)辟動(dòng)態(tài)內存必須十分小心，不能和其它進(jìn)程發(fā)生重疊。

　　在進(jìn)程中開(kāi)辟了50個(gè)數據緩沖片，這些緩沖片通過(guò)三個(gè)雙向鏈表維持形成緩沖區。所有的緩沖片被掛在一個(gè)稱(chēng)為list的雙向鏈表中，退出進(jìn)程的時(shí)候，應該將這些動(dòng)態(tài)內存釋放。同時(shí)，將存有有效數據（即尚未被發(fā)送出去的數據）的緩沖片放在稱(chēng)為dirty的雙向鏈表中，將可以使用的緩沖片放在稱(chēng)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(gè)緩沖片，存入數據后放到dirty鏈表中；相反，發(fā)送進(jìn)程每次從dirty隊列中取一個(gè)緩沖片，發(fā)送其保存的數據，然后把它放到clean鏈表中。這樣可以在一定程序上為網(wǎng)絡(luò )速度的穩定提供緩沖。

　　5 uClinux上運行任務(wù)的分析

　　在uClinux上運行了三個(gè)任務(wù)：讀取采集數據、通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送數據、接收和執行來(lái)自ICS的命令。其中的讀取采集數據任務(wù)對實(shí)時(shí)性有要求，把它用中斷處理程序來(lái)實(shí)現，而其它的兩個(gè)任務(wù)則通過(guò)用戶(hù)進(jìn)程來(lái)實(shí)現。通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送數據的任務(wù)和讀取采集數據的任務(wù)其享一個(gè)緩沖區，通過(guò)ioclt函數在它們它們傳遞緩沖區雙向鏈表的地址。所以還需要為SPM注冊一個(gè)驅動(dòng)程序，這也是在uClinux操作中比較特別的進(jìn)程和內核通信的方法。同時(shí)，把對SPM的設置和查詢(xún)等操作也包裝在這個(gè)驅動(dòng)程序里同，這些操作都是通過(guò)ioctl函數向程提供接口。注冊驅動(dòng)程序的函數是：

　　result=register_chrdev(ECM_MAJOR,“ecm”，&ecm_fops)；可見(jiàn)，這里把SPM作為一個(gè)字符型的設備，由于緩沖區是共享，所以必須提供一個(gè)鎖相制，使得在某個(gè)進(jìn)程向緩沖片中寫(xiě)數據時(shí)，其它的進(jìn)程不讀或寫(xiě)該緩沖片。

　　UClinux不僅在信息家電、低端網(wǎng)絡(luò )設備和工業(yè)控制領(lǐng)域中有較廣的應用，而且在簡(jiǎn)單的數據采集和傳輸方面也有了應用方案。

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