基于ARM uCLinux的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

隨著網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)現(xiàn)已進(jìn)入高速發(fā)展階段。并在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文介紹了一種采用ARM+uCLinux作為開發(fā)平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)基于TCP／IP的遠(yuǎn)程系統(tǒng)監(jiān)控．從而取代傳統(tǒng)單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理和通信功能；并依靠互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)向上位機(jī)傳送，同時(shí)支持遠(yuǎn)端客戶對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的具體方法。

1 系統(tǒng)平臺(tái)的構(gòu)建

本系統(tǒng)由嵌入式平臺(tái)服務(wù)器、前端控制器、前端傳感器、客戶端和配置PC組成。開發(fā)時(shí)可通過配置PC來下載系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)能夠收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)。并傳送到遠(yuǎn)端客戶機(jī)，之后由遠(yuǎn)端客戶機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，接著發(fā)送控制信號(hào)給系統(tǒng)服務(wù)器，以便通過前端控制器對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示
 

1．1 硬件開發(fā)平臺(tái)
 

該系統(tǒng)的硬件開發(fā)平臺(tái)可選擇SmartARM2200。該嵌入式設(shè)備的核心是ARM7TDMI的LPC2210．開發(fā)板自身具有A／D轉(zhuǎn)換器和多個(gè)GPIO(通用I／O)口，可對工業(yè)現(xiàn)場的各種設(shè)備、儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。使用時(shí)，只要將相應(yīng)的傳感器信號(hào)接入控制器的端口即可。其開發(fā)板系統(tǒng)的硬件配置如圖2所示。

1．2 uCLinux操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)是嵌入式設(shè)備軟件的核心部分。本系統(tǒng)采用uCLinux系統(tǒng)平臺(tái)來完成對硬件系統(tǒng)的管理和維護(hù)。uCLinux是廣泛應(yīng)用于微控制領(lǐng)域的一種嵌入式Linux操作系統(tǒng)。它通過對標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核的裁減，可去除虛擬內(nèi)存管理部分代碼，以對內(nèi)存分配進(jìn)行優(yōu)化。從而達(dá)到提高系統(tǒng)運(yùn)行效率的目的。uCLinux則可經(jīng)過各方面的小型化改造形成一個(gè)高度優(yōu)化、代碼緊湊的嵌入式Linux，它保留了Linux的大多數(shù)優(yōu)點(diǎn)，包括穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、完備的文件系統(tǒng)支持、豐富的API等。

1．3 uCLinux在ARM平臺(tái)上的移植

若將uCLinux移植到SmartARM2200上，需要進(jìn)行以下四個(gè)步驟：

(1)下載源碼，建立交叉編譯環(huán)境

uCLinux是自由軟件(完全開放代碼)。用戶可以直接從http：／／www．uclinux．org／pub／uclinux處下載源代碼并安裝到Red Hat9．0系統(tǒng)下，以便正常在Red Hat9．0建立起交叉編譯環(huán)境。

(2)配置和編譯內(nèi)核

進(jìn)入到安裝好的uCLinux目錄，依次執(zhí)行下面的命令：

make menuconfig；進(jìn)入配置菜單后，選擇Vendor／Product(廠商／產(chǎn)品)下的PHILIPS／lpc2200；用Kernel Version(內(nèi)核版本)選擇Linux-2．4．x，Libc Version(函數(shù)庫版本)選擇uClibc：其余內(nèi)核和應(yīng)用程序選項(xiàng)可根據(jù)情況選擇。

make dep

make clean

make lib_only

make user_only

make romfs

make image

make 

編譯結(jié)束后會(huì)在uCLinux安裝目錄下生成romfs．img文件，利用它可以制作RAM Disk，然后在linux-2．4．X目錄下生成elf格式的Linux內(nèi)核文件，并以下列方式將其轉(zhuǎn)換成bin格式

#arm-elf-objcopy-O binary linux linux．bin

從而生成下載用的uCLinux內(nèi)核鏡像文件linux．bin。

(3)制作Ram Disk掛栽根文件系統(tǒng)

首先創(chuàng)建一個(gè)512 kB的虛擬磁盤，并將虛擬磁盤文件格式轉(zhuǎn)化成ext2格式：

dd if／dev／zero of=initrd．img bs=1024 count=512

mkfs．ext2-c init．img

然后將init．img和romfs．img加載到主機(jī)文件系統(tǒng)上，并在RAM中建立需要的目錄：／bin，／dev，／etc，／var，進(jìn)而拷貝ROM中的文件到ram目錄中。

下來在RAM盤dev目錄下創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)：

#mknod ram／dev／ttyS0 c 4 64

#mknod ram／dev／console c 5 1

最后卸載init．img和romfs．img，并應(yīng)確保init．img修改已保存，至此，RAM DISK便創(chuàng)建完成。

(4)下載內(nèi)核和文件系統(tǒng)

正確設(shè)置主板啟動(dòng)選擇跳線。主板加電后，在超級(jí)終端上便可以看到BootLoader引導(dǎo)信息，可選擇默認(rèn)的FTP連接，并使用BootLoader默認(rèn)的IP進(jìn)行下載，然后啟動(dòng)gftp，輸入主板默認(rèn)的IP和端口號(hào)。這樣，linux主機(jī)就可以和主機(jī)連接，最后選擇需要下載的Linux內(nèi)核文件和RAM盤及相關(guān)的配置文件即可。

2 監(jiān)控系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成：數(shù)據(jù)采集部分，設(shè)備控制部分，數(shù)據(jù)傳輸部分。數(shù)據(jù)采集部分可對傳感器信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的處理，同時(shí)提供調(diào)整運(yùn)行參數(shù)的接口。數(shù)據(jù)傳輸部分可將采集的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)端的主機(jī)，并接收遠(yuǎn)端主機(jī)的控制信息。遠(yuǎn)端主機(jī)則對傳輸過來的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)和顯示，并可以修改數(shù)據(jù)采集部分的參數(shù)以控制數(shù)據(jù)采集，同時(shí)依據(jù)采集到的數(shù)據(jù)對設(shè)備發(fā)出操作指令，或?qū)h(yuǎn)端的設(shè)備進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

2．1 數(shù)據(jù)采集

使用A／D轉(zhuǎn)換設(shè)備前，首先要?jiǎng)?chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)，并加載ADC驅(qū)動(dòng)，然后通過open()和close()將其打開和關(guān)閉．主要的數(shù)據(jù)采集程序如下：

……

ioctl(fd，ADC_SET_CLKDIV，(Fpclk+fadc1)/fadc-1)；／／設(shè)置A／D轉(zhuǎn)換速度

ioctl(fd，ADC_SET_BITS，10)；／／設(shè)置A／D轉(zhuǎn)換精度； 

while(1) {

ad_data=0；

read(fd，&ad_data，sizeof(ad_data))；／／讀取A/D轉(zhuǎn)換的值；

……
 

2．2 GPIO設(shè)備控制

同A／D轉(zhuǎn)換設(shè)備類似，使用GPIO也需先創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)并加載驅(qū)動(dòng)。對GPIO操作前，應(yīng)通過open()打開，使用后應(yīng)通過close()關(guān)閉。

 首先。選定開發(fā)板上沒有使用過的GPIO端口，設(shè)定其輸入／輸入狀態(tài)，然后根據(jù)客戶端返回的信息對端口進(jìn)行操作，輸出0／1的電平，以使其外部連接的繼電器動(dòng)作。從而控制設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。程序主要通過函數(shù)ioctl來實(shí)現(xiàn)。ioctl是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中對設(shè)備的I／O通道進(jìn)行管理的函數(shù)，通過它可對設(shè)備的一些特性進(jìn)行控制．其函數(shù)原形為：

int ioctl(int fd，ind cmd，…)；

其中，fd是用程序打開設(shè)備時(shí)，使用open函數(shù)返回的文件標(biāo)示符；cmd是用戶程序?qū)υO(shè)備的控制命令；至于后面的省略號(hào)，則是一些補(bǔ)充參數(shù)(一般最多一個(gè)，有或沒有是和cmd的意義相關(guān)的)。在這里，可通過如下一組函數(shù)來實(shí)現(xiàn)：

ioctl(fd1，GPIO_SET_PIN_IN，devicel)；

／／設(shè)置管角為輸出狀態(tài)；

ioctl( fd2， GPIO_SET_PIN_OUT， devicel_state)； 

／／設(shè)置管角為輸入狀態(tài)；

ioctl(fd2,GPIO_READ_PIN,&devicel_state)；

／／讀取設(shè)備狀態(tài)管角；

ioctl(fd1，GPIO_CLR_PIN,device)；

／／清除設(shè)備管角控制信號(hào)；

2．3 網(wǎng)絡(luò)通信程序

網(wǎng)絡(luò)通信程序可使用TCP／IP協(xié)議下標(biāo)準(zhǔn)的socket套接字編寫。套接字(socket)是網(wǎng)絡(luò)通信的基本操作單元。它提供了不同主機(jī)間進(jìn)程雙向通信的端點(diǎn)。這些進(jìn)程在通信前應(yīng)各自建立一個(gè)socket，并通過對socket的讀／寫操作實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能。常用的套接字有兩種：流式套接字(Stream Socket)和數(shù)據(jù)報(bào)套接字(Datagram Socket)。其中，流式套接字是可靠的面向連接的通信數(shù)據(jù)流，是無錯(cuò)誤的傳輸；而數(shù)據(jù)報(bào)套接字則使用UDP來傳送數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的順序是沒有保障的。本系統(tǒng)采用流式套接字進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

流式套接字的服務(wù)進(jìn)程和客戶進(jìn)程建立連接及通信的程序流程如圖3所示。現(xiàn)具體說明如下：
 

(1)服務(wù)進(jìn)程首先調(diào)用socket()創(chuàng)建一個(gè)流式套接字，并調(diào)用bind()將服務(wù)器地址捆扎在該套接字上，接著調(diào)用listen()監(jiān)聽連接請求，隨后調(diào)用accept()做好與客戶進(jìn)程建立連接的準(zhǔn)備。無連接請求時(shí)，服務(wù)進(jìn)程被阻塞；

(2)客戶進(jìn)程先調(diào)用socket()創(chuàng)建流式套接字，然后調(diào)用connect()向服務(wù)進(jìn)程發(fā)出連接請求；

(3)當(dāng)連接請求到來后，服務(wù)進(jìn)程被喚醒，并生成一個(gè)新的流式套接字。同時(shí)用新套接字同客戶進(jìn)程的套接字建立連接，而服務(wù)進(jìn)程最早生成的套接字則繼續(xù)用于監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)請求；

(4)服務(wù)進(jìn)程和客戶進(jìn)程通過調(diào)用send()和recv()來交換數(shù)據(jù)，服務(wù)器可向客戶端傳送所收集的數(shù)據(jù)。客戶端則向服務(wù)器反饋控制信息和參數(shù)調(diào)整信息； 
 

(5)服務(wù)進(jìn)程或客戶進(jìn)程可通過調(diào)用close()來撤消套接字并中斷連接。

服務(wù)器端的程序通過交叉編譯環(huán)境編譯后。可通過NFS(網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng))下載到開發(fā)板中，然后手動(dòng)加入到rc引導(dǎo)文件中。即可實(shí)現(xiàn)開機(jī)自動(dòng)運(yùn)行

3 結(jié)束語

基于ARM和CLinux嵌入式系統(tǒng)代表了目前嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展方向。嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)相結(jié)合．是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。本文討論了基于ARM+uCLinux平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。并對該平臺(tái)下應(yīng)用TCP／IP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行了探討。該方法對于自動(dòng)化樓宇、工業(yè)控制、智能家居等方面都有一定的借鑒意義。