基于声表面波技术的煤矿安全智能监控节点设计与实现第5章.docx
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基于声表面波技术的煤矿安全智能监控节点设计与实现第5章
第五章煤矿安全智能监控节点软件设计
煤矿安全智能监控节点软件设计包括嵌入式Linux系统移植、CAN总线驱动设计、485驱动驱动程序设计、嵌入式数据库设计、GUI界面显示设计。
5.1嵌入式Linux系统的移植
煤矿安全智能监控节点的核心控制芯片是S3C2440A，所以嵌入式Linux系统的移植是基于S3C2440A的移植。
嵌入式Linux系统的移植包括BootLoader移植、Linux内核移植和文件系统的制作。
5.1.1交叉编译环境的建立
交叉编译环境就是代码在宿主机上编写和编译，却能在目标板上能运行的环境。
本文的宿主机操作系统为RedHatEnterpriseLinux5，交叉编译器的版本采用arm-linux-gcc-4.3.2。
从网上下载arm-linux-gcc.4.3.2.tgz到Linux系统下，解压arm-linux-gcc.4.3.2.tgz，把arm-linux-gcc安装到/usr/local/arm/4.3.2目录即可。
tarxzvfarm-linux-gcc-4.3.2–C/
exportPATH=/usr/local/arm/4.3.2/bin:
$PATH
5.1.2BootLoader的移植
BootLoader类似于PC机中的BIOS程序，它是在嵌入式系统上电后运行的第一段小程序。
通过这段小程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间映射图，将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，最终为启动操作系统内核准备好正确的环境[30]。
目前，常用于ARM处理器的BootLoader有三种：
u-boot、ARMboot、RedBoot，u-boot由于其具有灵活性高、技术成熟、功能齐全等优点被广泛应用。
所以本文采用u-boot，版本为u-boot-2010-03。
u-boot的移植步骤如下：
下载解压u-boot源码包。
本文采用u-boot-2010-03版本，可以到u-boot官方网站去下载名为u-boot-20-10-03.tar.bz2的u-boot源码包，解压u-boot源码包。
添加u-boot对S3C2440A的支持。
进入u-boot根目录，在u-boot根目录下的Makefile中添加：
smdk2440_config:
unconfig
@$（MKCONFIG）$（@:
_config=）armarm920tsmdk2440NULLs3c24x0
其中arm表示CPU的架构（ARCH），arm920t表示CPU的类型，smdk2440表示S3C2440A的目录，NULL表示开发商，s3c24x0表示CPU型号。
修改定义交叉编译工具链。
CROSS_COMPILE=arm-linux
拷贝S3C2440A相关文件。
由于S3C2410和S3C2440A的接口资源和寄存器相似，所以在S3C2410定义的基础上修改S3C2440A。
进入u-boot-2010-03/board目录新建2440目录再将samsung/smdk2410目录复制到2440目录下，将2440目录下的smdk2410重命名为smdk2440，其目录下的smdk2410.c重命名为smdk24-40.c，目录下将include/configs中的smdk2410.h复制为smdk2440.h。
修改系统时钟，设置CPU频率（FCLK）。
S3C2440A采用12MHz的晶振，但S3C2440A可以通过时钟控制逻辑的PLL使工作频率达400MHz。
S3C2440A有两个MPLL：
MPLL和UPLL，MPLL用于设置FCLK、HCLK、PCLK，UPLL专用于USB设备。
本文设置FCLK设为400MHz，分频比为FCLK:
HCLK:
PCLK=1:
4:
8,UCLK为48MHz。
#defineM_MDIV0x7f
#defineM_PDIV0x2
#defineM_SDIV0x1
#defineU_M_MDIV0x38
#defineU_M_PDIV0x2
#defineU_M_SDIV0x2
修改u-boot，使u-boot支持从NandFlash启动。
将nand_read.c文件拷贝入board/2440目录下，同时在Makefile文件添加对nand_read.c的编译。
OBJS:
=2440.onand_read.oflash.o
添加DM9000网卡配置。
在include/configs/2440.h下添加如下代码：
#defineCONFIG_DRIVER_DM90001
#defineCONFIG_DM9000_BASE0x20000000
#defineDM9000_IOCONFIG_DM9000_BASE
#defineDM9000_DATA（CONFIG_DM9000_BASE+4）
#defineCONFIG_DM9000_USE_16BIT
添加完uboot对2440的支持后返回uboot的顶层目录，从新编译u-boot，在uboot顶层目录下生成u-boot.bin文件，然后通过USB（UniversalSerialBus，通用串行总线）下载u-boot.bin存储于NandFlash中。
5.1.3Linux内核移植
Linux内核是Linux系统的核心部件，它为内存、外围设备、系统进程、设备驱动、文件和网络系统等设备正常工作和运行提供保证。
嵌入式设备的资源有限，在进行Linux内核移植时，根据需要对Linux内核进行裁剪和配置，使系统体积更小，运行更高效。
本文采用的Linux内核为Linux-2.6.32，Linux内核定制的步骤大致如下：
解压Linux内核源码包。
从www.kernel.org上下载Linux2.6.32.2内核版本，并将Linux2.6.32.2解压到Linux目录下。
[root@localhostlinux]#tarxzflinux-2.6.32.tar.gz
[root@localhostlinux]#ls
linux-2.6.32linux-2.6.32.tar.gz
指定交叉编译变量。
修改linux-2.6.32目录下的Makefile文件，指定目标代码平台和交叉编译器。
exportKBUILD_BUILDHOST:
=$（SUBARCH）
ARCH ?
=arm
CROSS_COMPILE?
=arm-linux-
内核配置。
使用makemenuconfig命令进入配置菜单界面，在配置菜单中对内核中的处理器、驱动、文件系统等进行选择，如图5.1所示。
图5.1Linux内核配置界面图
在linux-2.6.32目录下输入makezImage命令进行内核编译，编译完成后会在在linux-2.6.32目录下的“arch/arm/boot”目录中生成了所需的内核文件zImage。
由于u-boot在用bootm命令引导内核的时候，bootm需要读取一个64字节的文件头，来获取内核映象所针对的CPU体系结构、OS、加载到内存中的位置、在内存中入口点的位置以及映像名等信息，mkimage就是一个用于添加头文件的专用工作，制作头文件的命令如下：
mkimage–n‘CY’–Aarm–Olinux–Tkernel–Cnone–a0x30008000–e0x30008040–dzImagezImage.img
把mkimage生成的zImage.img文件下载到NandFlash中。
5.1.4文件系统制作
根文件系统是对Linux系统存储设备中的数据进行组织和管理，根文件系统的存在使Linux系统与用户之间的操作变得简单方便，Linux内核开始运行时最先挂载的文件系统即为根文件系统。
Linux系统以树状结构管理目录、文件，其他分区挂接在某个目录上，然后就可以通过这个目录来访问分区上的文件。
如图5.2所示，根文件系统挂载在根目录上，根目录就有根文件系统的目录和文件，如/bin、/etc、/usr等。
图5.2根文件系统目录结构图
构建根文件系统的步骤如下：
创建系统目录；编译并安装内核模块；建立动态链接库；交叉编译Busybox；创建etc目录下的配置文件；制作根文件系统。
将根文件系统的镜像文件下载到NandFlash中。
Qt/Embedded和SQLite的移植相对简单，限于篇幅本文就不再叙述。
5.2CAN总线驱动程序设计实现
CAN总线模块由两部分构成：
CAN总线控制器和CAN总线收发器。
CAN总线收发器主要工作在CAN总线物理层，发送时CAN总线收发器把CAN总线控制器的逻辑信号转换成能在CAN总线物理线路上传输的差分信号，接收时CAN总线收发器把在CAN总线物理线路上传输的差分信号转换成CAN总线控制器能够识别的逻辑信号。
CAN总线控制器工作在CAN总线数据链路层，是整个CAN总线模块的核心，CAN总线控制器主要工作有：
帧的封装、帧的拆分、帧错误检测等。
CAN总线模块驱动的实现主要是CAN总线控制器驱动的实现。
5.2.1CAN总线数据格式
CAN总线中使用数据帧进行数据传输，数据帧又分为标准帧和扩展帧。
标准帧和扩展帧的主要区别在于仲裁区域的ID码长度的不同，标准帧的ID码为11位，扩展帧的ID码为29位[31]。
为尽量提高CAN总线数据传输的利用率，使ID码也携带帧信息，本文数据传送选择ID码为29位的扩展帧，扩展帧的结构如图5.3所示。
图5.3扩展帧结构图
CAN总线是通过报文标示符来判断该节点是否为目标节点，即通过CAN控制器的报文验收滤波器和报文屏蔽寄存器对比帧ID来判断是否需要接收该帧。
而CAN总线的帧ID可以自己定义，本文定义的帧ID如表5.1所示，ID.28～ID27表示帧的类型；ID.26～ID.19表示目标节点的地址；ID.18～ID.11表示源节点的地址；ID.10～ID.7表示功能码；ID.6～ID.5表示帧组码，ID.4～ID.0表示帧码。
表5.1CAN总线帧ID定义格式
字段
长度
描述
ID.28～ID.27
2bit
帧类型，01表示此帧为命令帧，10表示此帧为数据帧。
ID.26～ID.19
8bit
接收CAN报文节点的地址。
ID.18～ID.11
8bit
发送CAN报文节点的地址。
ID.10～ID.7
4bit
表示此帧的用途。
ID.6～ID.5
2bit
帧组码，00表示本帧数据没有分段；01表示本帧为数据的第一个分组；10表示本该帧位于数据的中间断，其位于那一段由分组数决定；11表示本帧为数据的最后一分组。
ID.4～ID.0
7bit
分组数，若帧组码为10，表示本帧在数据中的位置，否则保留。
在MCP2515驱动程序中CAN总线报文格式定义代码如下所示。
typedefstructmcpcan_data{
unsignedcharFraType;
unsignedcharSrcId;
unsignedcharDesId;
unsignedcharFunCode;
unsignedcharFraCode;
unsignedcharFraValue;
unsignedintDataLen;
longintData[8];
}mcpcan_data;
其中FraType表示帧的类型、SrcId表示帧的发送地址、DesId表示帧的目的地址、FraCode表示帧组码、FraValue表示分组数、DataLen表示帧的数据长度、D-ata[8]表示帧传送的数据字节。
本文中SAW标签是32位的，其温度测量范围为-40~800℃，湿度测量范围为20~70%，甲烷浓度测量范围为0~75%，人员距离测量范围0~20m。
本文中温度信息需要2byte，湿度2byte，甲烷浓度2byte，人员距离2byte。
其CAN总线数据帧中数据段数据格式定义如表5.2所示。
表5.2CAN总线数据帧中数据段数据格式定义
数据类型
ID号
数据值
读卡器号
1byte
4byte
2byte
1byte
数据类型：
表示数据值的类型，其中0x01表示温度，0x02表示湿度，0x03表示甲烷浓度，0x04表示人员距离。
ID号：
表示上传数据的SAW标签的ID号。
数据值：
表示SAW标签上传的参数信息。
读卡器号：
表示上传数据的读卡器编号。
5.2.2SPI驱动程序设计
本文选用的CAN控制器是MCP2515，S3C2440A和MCP2515之间通过SPI接口进行通信，所以在介绍MCP2515之前，首先介绍SPI驱动程序的设计。
S3C2440A提供两路的SPI接口：
SPI0和SPI1。
由于S3C2440A自带SPI接口，这简化了SPI驱动程序。
SPI驱动程序的配置步骤为：
设置端口映射，通过Linux内核提供的ioremap（）函数对SPI寄存器的地址进行映射；对SPI的各端口寄存器进行初始化，设置S3C2440A对应的I/O口为SPI模式；通过SPPREn寄存器配置SPI的传输速率；通过SPCON来配置合理的SPI接口模式，本文SPI配置为SPI接口为主设备，数据的读写为查询模式。
写数据0XFF到SPTDAT-n寄存器10次；进行数据发送时，检测数据传输标志位（REDY）是否为“1”，若数据传输标志位为“1”，则写数据到SPTDATn，否则返回错误。
接收数据时，检测数据传输标志位（REDY）是否为“1”，若数据传输标志位为“1”，从SPRDATn读取数据，否则返回。
SPI驱动程序读函数和写函数代码如下所示。
//SPISend
BOOLSPI_SendByte（BYTEbData,BYTE*pData）
{
if（SPI_WaitTxRxReady（）==FALSE）
returnFALSE;
*（unsignedchar*）rSPTDAT1=bData;
if（SPI_WaitTxRxReady（）==FALSE）returnFALSE;
*pData=*（unsignedchar*）rSPRDAT1;
returnTRUE;
}
//SPIRead
BOOLSPI_ReadByte（BYTE*pData）
{
BOOLbRet=TRUE;
if（SPI_WaitTxRxReady（）==FALSE）
returnFALSE;
*pData=*（unsignedchar*）rSPRDAT1;
returnbRet;
}
5.2.3MCP2515驱动程序
MCP2515与S3C2440A采用SPI进行通信。
MCP2515提供的SPI命令有复位指令、读指令、读RX缓冲指令、写指令、装载TX缓冲指令、请求发送（RTS）指令、读状态指令、RX状态指令、位修改指令。
限于篇幅，本文仅对读指令、写指令、位修改指令进行介绍。
MCP2515的读指令时序图如图5.4所示，将SPI片选（
）引脚设置为低电平来启动读指令；向MCP2515的数据输入引脚（SI）输入读指令（0x03）；接着向MCP2515的数据输入引脚（SI）输入读取数据的地址，地址格式为高位在前低位在后；MCP2515的数据输出引脚（SO）输出指定地址的数据，数据格式为高位在前地位在后；MCP2515将SPI片选（
）引脚设置为高电平结束读指令。
图5.4MCP2515读时序图
MCP2515读命令代码如下所示：
ret=MCP2515_SPI_Send（SPI_READ,&data）;
ret=MCP2515_SPI_Send（addr,&data）;
ret=MCP2515_SPI_Send（0xff,&data）;
ret=MCP2515_SPI_Read（&data）;
MCP2515的写指令时序图如图5.5所示，将SPI片选（
）引脚设置为低电平来启动写指令；向MCP2515的数据输入引脚（SI）输入写指令（0x02）；接着向MCP2515的数据输入引脚（SI）输入写入数据的地址，地址格式为高位在前低位在后；MCP2515的数据输入引脚（SI）往指定的地址写入数据，数据格式为高位在前地位在后；MCP2515将SPI片选（
）引脚设置为高电平来结束写指令。
图5.5MCP2515写时序图
MCP2515写命令代码如下所示。
ret=MCP2515_SPI_Send（SPI_WRITE,&data）;
ret=MCP2515_SPI_Send（addr,&data）;
ret=MCP2515_SPI_Send（arg1,&data）;
位修改指令可以对特定状态和控制寄存器中单独的位进行置“1”或者清零。
MCP2515位修改指令时序图如图5.6所示，将SPI片选（
）引脚设置为低电平来启动位修改指令；向MCP2515的数据输入引脚（SI）输入位修改指令（0x05）；向MCP2515的数据输入引脚（SI）输入修改的寄存器地址，地址为高位在前低位在后；接着向MCP2515的数据输入引脚（SI）输入屏蔽字节，屏蔽字节确定允许修改寄存器中的哪一位，屏蔽字节中的“1”表示允许对寄存器中的相应位进行修改，“0”则禁止修改；然后向MCP2515的数据输入引脚（SI）输入数据字节，数据字节确定寄存器修改的最终结果，如果屏蔽字节相应位允许修改，数据字节中的“1”表示将寄存器相应位置“1”，“0”表示将相应位清零；MCP2515将SPI片选（
）引脚设置为高电平来结束位修改指令。
位修改指令表示图如图5.7所示。
图5.6MCP2515位修改指令时序图
图5.7MCP2515位修改指令表示图
MCP2515位修改指令代码如下所示。
ret=MCP2515_SPI_Send（SPI_BITMOD,&data）;
ret=MCP2515_SPI_Send（addr,&data）;
ret=MCP2515_SPI_Send（arg1,&data）;
ret=MCP2515_SPI_Send（arg2,&data）;
MCP2515的驱动程序的大体框架为：
申请MCP251驱动程序设备号；设备驱动程序的初始化如分配内存、初始化工作队列等；填充file_operations结构体；编写file_operations结构体中相关函数代码；释放设备号及相关内存。
file_operations结构体包括的函数如下所示。
structfile_operationsMCP2515_ops={
.open=MCP2515_open,
.read=MCP2515_read,
.write=MCP2515_write,
.ioctl=MCP251_ioctl,};
其中MCP2515_open函数主要完成中断函数的相关初始化，MCP2515的初始化等；MCP2515_release函数主要完成设备驱动的释放；MCP2515_read函数主要完成MCP2515数据的读取并传递给应用程序；MCP2515_write函数主要是发送从应用程序传递过来的数据。
MCP2515的初始化过程为通过复位命令复位MCP2515；通过位修改命令改变CAN控制寄存器（CANCTRL）的值设置MCP2515为配置模式；通过位修改命令设置MCP2515相应的寄存器，如发送缓冲器控制寄存器（TXBnCTRL）、接收缓冲器控制寄存器（RXBnCTRL）、中断使能寄存器（CANINTE）、中断标志寄存器（CANINTF）、验收滤波寄存器（RXFn）等；通过位修改命令改变CAN控制寄存器（CANCTRL）的值设置MCP2515为正常模式；其初始化过程图如图5.8所示。
图5.8MCP2515初始化过程
MCP2515的报文发送过程为判断发送缓冲器中是否为空，若发送缓冲器不为空则等待；将CAN总线报文的仲裁段的帧ID写入发送缓冲标识符寄存器（TXBn-SIDH、TXBnSIDL、TXBnEID8、TXBnEID0）；将需要发送的数据长度写入发送缓冲器数据长度码寄存器（TXBnDLC）；将此帧报文需要发送的数据写入发送缓冲器数据寄存器；判断CAN总线是否空闲，空闲则启动发送，否则等待CAN总线空闲；判断报文是否发生成功，成功则结束，否则从新发送。
MCP2515的报文发送流程如图5.9所示。
图5.9MCP2515报文发送流程图
MCP2515的报文接收采用的中断的方式，当检测CAN总线上有帧起始时，把该帧报文载入报文集成缓冲器；判断该帧是否符合滤波器条件，若符合则载入报文缓冲器，否则丢弃该帧，当报文装入报文缓冲器后，MCP2515的
引脚会产生中断，通知MCU有报文需要接收；读取报文接收缓冲器标识符寄存器中的值，即该帧报文的帧ID；读取该帧报文的数据长度；读取该帧报文传输的数据；清除中断标志；结束接收。
MCP2515的报文接收流程如下图5.10所示。
图5.10MCP2515的报文接收流程图
5.3485总线模块驱动程序设计实现
5.3.1485总线数据通信格式
由上一节CAN总线驱动程序设计可知，SAW标签采集的数据是多字节的，而UART通信一次最多只能传输8bit数据，所以在485驱动程序设计前，需要对数据信息的帧格式进行设计。
本文中485总线数据的帧格式采用MODBUS协议的RTU（RemoteTerminalUnit，远程终端设备）格式，RTU帧格式结构如表5.3所示，RTU帧格式中数据的起始和结束通过时间来判断，若3.5个字符时间内没有接收到数据则表示本帧数据结束，同时认为下一个字符为下帧数据的开始。
表5.3RTU帧格式
地址码
功能码
数据区
CRC校验
1byte
1byte
Nbyte
2byte
地址码：
485总线采用的是主机询问，从机应答的半双工通信方式，RTU帧格式中，地址用于表示从机地址，不同的从机地址不同。
只有当通信报文中地址与从机地址相匹配时，从机才应答主机的请求。
主机能够对从机的地址进行设置。
功能码：
功能码表示本次通信，从机应该执行什么操作。
功能码能表示的范围为1~127，本文只选用了其中的部分功能码，如表5.4所示。
主机发送的命令帧和从机应答的数据帧中的功能码是相同的，命令帧中的功能码表示要执行的操作，数据帧中的功能码表示从机根据主机发送的命令帧做出的响应。
表5.4功能码信息表
功能码
读/写功能
功能
01
读
读取一个或多个读卡器的工作状态
04
读
读取读卡器的数据信息
06
写
更改读卡器地址码
15
写
向一个或多个对卡其写入控制命令，控制器工作状态
数据区：
数据区是主机发送给从机的数据或从机响应主机的数据，数据区随功能码的不同而不同。
如“04”功能码表示主机要求读取读卡器的数据信息，从机响应后返回读卡器采集的数据。
对于不同的功能码，数据区的大小可以不相同。
CRC校验：
CRC校验用于判断接收的信息是否正确。
本文采用16位循环冗余校验码完成数据的校验，发送方发送16位的循环冗余校验码，接收方对接收到的校验码进行验证，若与发送方发送的校验码是一致的，则数据传输是正确的。
5.3.2MAX485驱动程序
本文中485总线采用的电平转换芯片为MAX485，MAX485与S3C2440A之间通信采用
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