基于嵌入式Linux的温度采集系统的设计与实现.docx
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基于嵌入式Linux的温度采集系统的设计与实现
课程设计
论文题目
基于嵌入式Linux的温度采集系统
的设计与实现
学院
专业
班级
学号
学生姓名
指导教师
完成时间
2016年5月
摘要
数据采集系统是信息科学的一个重要分支,它研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等。
本文提出采用嵌入式Linux作为操作系统，针对三星公司的S5PV210嵌入式处理器，设计一个嵌入式温度采集系统.论文在分析了Linux设备驱动程序的基本工作原理基础上,讨论了开发中经常会碰到的中断处理、拥塞处理、I/O端口，并在此基础上实现了基于S5PV210嵌入式处理器的开、读、写、关外部RAM的字符设备驱动和网络驱动。
结合高精度温度传感器DS18B20,实现温度的正确采集，并通过以太网络将数据上传给上位服务器。
论文首先介绍了通信网络中各种设备特性、总线结构及传输技术，然后介绍根据单片机与PC机之间的串行通信原理，用ubantu完成数据采集系统的软件设计与实现，为用户提供一个友好的人机界面,对采集系统进行控制并显示采集后的数据.使用串口线传输数据，为数据采集系统和计算机之间的通讯开辟了新的道路。
关键词：
数据采集系统；以太网络；S5PV210;DS18B20
I
DesignandImplementationofanEmbeddedTemperatureAcquisitionSystembasedonLinux
Abstract
DataAcquisitionSystemisanimportantbranchofinformationscience，itstudiesthecollection,storage，processingandcontrolofinformationdata。
Inthispaper，theembeddedLinuxisusedastheoperatingsystem,andtheembeddedS5PV210processorisdesignedtodesignanembeddedtemperatureacquisitionsystem。
BasedontheanalysisoftheLinuxdevicedriverbasedonthebasicworkingprinciplediscusseddevelopmentoftenencounterinterruptioncongestionhandling,processing，I/Oports，andonthisbasis,realizeds5pv210embeddedprocessoropen,read,write，outsidetheramofthecharactersetbydriverandthenetworkdriveon。
CombinedwiththehighprecisiontemperaturesensorDS18B20，toachievethecorrecttemperaturecollection，andthroughtheEthernetnetworktouploaddatatothehostserver.
Atfirst，thepaperintroducesthecommunicationnetworkcharacteristicsofvariousdevices，busstructureandtransmissiontechnology,andthenintroduceaccordingtotheprincipleofserialcommunicationbetweenMCUandPC,ubantucompletedsoftwaredesignandimplementationofdataacquisitionsystem，toprovideuserswithafriendlyman-machineinterface，tocontroltheacquisitionsystemanddisplayafterthecollectionofthedata.Theuseofserialdatatransmission,forthedataacquisitionsystemandthecommunicationbetweenthecomputerhasopenedupanewpath。
Keywords：
Dataacquisitionsystem;Ethernet；S5PV210;DS18B20
第一章需求分析
1。
1总体设计
图1-1总体设计图
1.2客户端界面设计（app：
Linux_client）
1.作为用户操作的简单界面
2.用于发送命令控制硬件
3.接收server传输的数据
4.显示数据。
1。
3服务器设计（linux）
1.用于接收（app）客户端发送的命令
2.处理命令
3.转发给硬件
4.读取硬件传输数据
5.把数据传回（app）客户端
1.4硬件设计
1.Led灯
点亮灯:
led1、led2。
2.温度传感器
把温度数据读取到客户端。
3．蜂鸣器
用于报警以及音乐播放.
第二章详细设计
2。
1代码调用过程
代码调用过程如图所示：
图2-1代码调用图
分析代码调用过程：
0.准备工作：
1.先调用insmodled。
ko插入模块
2.register_chrdev注册字符设备驱动
1.App：
fd=open（"/dev/led”,O_RDONLY）;
2.drivers:
2.sys_open（”/dev/led"，O_RDONLY）
3.由内核为我们匹配,看是否能够找到设备号为249的led-drivers
4。
如果匹配成功，继续找到structfile_operationsled_fops结构体
5.通过结构体找到open函数的入口led_fops.open
6。
led_open
7.arm_init
2。
2文件IO（系统库函数）
1.Open打开文件
返回一个文件描述符
2.Read通过文件描述符fd，读取文件
3.Write通过文件描述符fd，写文件
4.Close（进程结束的时候，会自动关闭,可以不必显示的调用close）
阻塞：
poll机制解决
客户端如果要接收服务器回发的数据，则需要读取网络套接字,此时，客户端涉及到读终端和读服务器，而读终端和读服务器都是会阻塞的，所以调用poll机制解决.
intpoll（structpollfd＊fds,nfds_tnfds，inttimeout）；
功能:
把所关心的文件描述符加入到structpollfd结构中，告诉内核我要非阻塞的读这个文件描述符，内核为我们判断，如果不阻塞，则相应的状态,
参数1:
structpollfd{
intfd；/＊所关心的文件描述符*/
shortevents;/*告诉内核我要做什么:
POLLIN：
非阻塞的读*/
shortrevents；/*内核返回的状态*/
｝；
参数2：
关心的描述符的个数
参数3：
愿意等待多长时间
-1:
一直等待
〉0:
表示愿意等待的时间
返回值：
大于0：
表示至少有一个已经成功返回
==0：
表示超时
〈0:
表示失败
2.3网络编程
TCP（即传输控制协议）：
是一种面向连接的传输层协议，它能提供高可靠性通信（即数据无误、数据无丢失、数据无失序、数据无重复到达的通信）。
适用情况：
1．适合于对传输质量要求较高，以及传输大量数据的通信。
2．在需要可靠数据传输的场合,通常使用TCP协议
3．MSN/QQ等即时通讯软件的用户登录账户管理相关的功能通常采用TCP协议
项目需求：
1.Linux平台下
a）服务器（server）
i.等待连接客户端
ii.接收客户端发送的数据[字符串和文件］
iii.处理客户端发送的数据和命令
iv.发送处理结果给客户端
b）客户端
i.简单的界面
ii.从键盘接收用户输入命令
iii.发送数据或者命令给服务器
iv.接收服务器返回的结果
c）协议：
tcp
2.实现编程
a）TCP四次握手协议
b）TCP编程模型
图2—2TCP编程模型图
3.网络编程所需要的API函数
a）服务器
i.Socket
ii.Bind
iii.Listen
iv.Accept
v.Read/read
vi.Close
b）客户端
i.Socket
ii.Connect
iii.Read/read
iv.Close
通用地址结构
structsockaddr
{
u_shortsa_family；//地址族，AF_xxx
charsa_data[14］；//14字节协议地址
｝;
Internet协议地址结构
structsockaddr_in｛
sa_family_tsin_family；/＊地址族:
AF_INET＊/
in_port_tsin_port;/＊端口号*/
structin_addrsin_addr;/*IPV4地址internetaddress*/
｝;
/*IPv4地址结构＊/
structin_addr{
uint32_ts_addr;/＊addressinnetworkbyteorder＊/
｝；
2.4内核驱动开发：
（模块编程）
1.模块入口moude_init
2.模块出口module_exit
3.语法：
c语言
4.编译（Makefile）
a）makeinstall
b）make
c）cpled。
ko/opt/filesystem/test
5.执行：
驱动模块后缀:
led。
ko
a）插入内核：
insmodled.ko
b）查看模块：
lsmod
c）移除模块:
rmmodled
2.5注册字符设备驱动
staticinlineintregister_chrdev（unsignedintmajor,constchar＊name,
conststructfile_operations*fops）
功能:
把设备注册，添加到字符设备的表格中
图2—3字符设备驱动图
insmodled。
ko调用内核驱动模块注册设备到内核字符设备管理注册表中
图2—4打开文件设备过程图
2。
6操作硬件的过程:
（裸奔代码）
1.找到外设（led），分析外设功能
a）原厂提供
b）Google,baidu
2.led原理图
图2—5led点灯流程图
操作led的GPIO控制器,主要有以下两个:
GPC0CON：
用于控制GPIO引脚输入还是输出
GPC0CON[32］
LED1->GPC0CON[3]->［15-12］——〉0001=Output
LED2->GPC0CON［4]—〉[19—16]—->0001=Output
GPC0DAT：
用于设置电平的高低
GPC0DAT［3］—->GPC0CON［15-12]→led1→亮->高电平1
GPC0DAT［4]--〉GPC0CON[19—16]→led2-〉灭—>低电平0
Led：
GPC0CON寄存器地址0xE0200060
#defineGPC0CON（*（volitaleunsignedlong*）0xE0200060）
GPC0DAT寄存器地址0xE0200064
＃defineGPC0DAT（*（volitaleunsignedlong*）0xE0200064）
MMU
当开启了MMU之后，我们是不能直接访问到物理地址的。
需要通过ioreamp把物
理地址映射为虚拟地址，我们只能通过虚拟地址操作硬件
Virt=ioremap（phy）；
intstrncasecmp（constchar*s1,constchar*s2,size_tn）；
比较字符s1和s2的前n个字符是否相等,如果相等，则返回0
5.裸奔代码操作硬件过程
图2-6操作硬件流程图
第三章测试过程
3。
1测试
1．用户登录
输入用户名和密码进行校验
2．登录成功进入到用户操作界面（如图3-1所示）
输入要控制硬件的命令:
如：
打开led1，则输入on1
关闭led1,则输入off1
打开音乐播放器，则输入song
获取温度，则输入get
……
退出，则输入quit
图3—1用户操作界面
第四章项目拓展
4.1项目拓展
目前本项目实现了通过客户端操作硬件，实现了点亮灯/蜂鸣器报警/音乐播放/温度数据采集功能。
除用于温度监测外，在系统中的ARM外围可接入控制电路、其他性能的传感器甚至摄像头等,还可以实现多种其他特殊需要的远程监测及控制,如水位监测、视频监控等，具有十分广阔的应用背景。
智能硬件框架（如图4-1所示）
图4-1智能硬件框架图
附录
服务器模块：
/*1.调用socket函数创建套接字。
TCP协议：
SOCK_STREAM＊/
sockfd=socket（AF_INET,SOCK_STREAM,0）；
if（-1==sockfd）{
perror（”socket”）;
return—1；
｝
/＊填充服务器信息＊/
structsockaddr_inservaddr;
memset（&servaddr,0，sizeof（servaddr））；
servaddr.sin_family=AF_INET;//PF_INET
servaddr.sin_port=htons（PORT）;//端口号（5001—65536）
servaddr.sin_addr.s_addr=inet_addr（SERVERIP）;//ip地址
socklen_tadrlen=sizeof（servaddr）；
/＊2.调用bind指定本地地址和端口。
*/
ret=bind（sockfd,（structsockaddr*）&servaddr,adrlen）;
if（-1==ret）{
perror（"bind”）;
return-1;
｝
/＊3.调用listen启动监听。
*/
ret=listen（sockfd，1000）;
if（—1==ret）｛
perror（"listen"）;
return—1;
｝
printf（"serverinit.dsuccess..。
\n”）;
intnewfd;
charbuf［BUFSZ］={0};
pthread_ttid;
while
（1）
｛
/＊4.调用accept从已连接列队中提取客户连接。
*/
newfd=accept（sockfd,NULL，NULL）;
if（newfd〈=0）｛
continue；
}
printf（"%dconnectsuccess.。
。
\n”,newfd）；
/*为每个客户创建线程去维护它
==〉tid:
用于存放新建线程ID
==>do_work：
新建线程从这里开始执行
==>newfd:
传给执行函数的参数*/
ret=pthread_create（＆tid,NULL，do_work,&newfd）；
if（0！
=ret）{
continue;
｝
/*设置为可分离态*/
pthread_detach（tid）;
｝
/*6。
调用close关闭连接.＊/
close（sockfd）；
close（newfd）；
return0；
}
/＊执行函数（void* 表示可以接收任意类型）*/
void*do_work（void＊arg）
｛
intret；
charbuf[BUFSZ];
intnewfd=*（int＊）arg；
char＊strerr=”密码或者用户名输入有误!
”；
unsignedintcmd=—1；
unsignedlongval=-1；
inti=0；
intn=2;
intdev_fd;
/＊5。
调用I/O函数（read/write）与客户端通讯。
*/
intfd_led;
fd_led=open（”/dev/led”,O_RDWR）;
if（fd_led<0）｛
perror（”open”）；
return（void*）-1；
｝
/＊开辟一个线程不停的发送温度给客户＊/
pthread_ttid1；
ret=pthread_create（&tid1,NULL，do_temp，&newfd）；
pthread_detach（tid1）；
while
（1）
｛
/*读取客户端信息*/
memset（buf，0,sizeof（buf））;
ret=read（newfd,buf,sizeof（buf）-1）;
if（ret〉0）｛
/*发送命令给硬件＊/
if（!
strncasecmp（buf，"on1",3））｛
cmd=LED_ON；
val=3；
｝elseif（!
strncasecmp（buf,”on2"，3））｛
cmd=LED_ON；
val=4;
}elseif（!
strncasecmp（buf,"off1"，4））｛
cmd=LED_OFF；
val=3;
｝elseif（！
strncasecmp（buf,"off2",4））{
cmd=LED_OFF;
val=4;
｝elseif（！
strncasecmp（buf，"onb",3））｛
pwm_on（）；
｝elseif（!
strncasecmp（buf,”song”，4））｛
pwm_music_fun（）；
｝
if（ioctl（fd_led,cmd，（unsignedlong）val）〈0）｛
perror（”ioctlfailed\n”）;
exit
（1）；
}
}
}
客户端模块：
intmain（intargc,char*＊argv）
{
intret；
charbuf[BUFSZ]=｛0｝;
chartemp［BUFSZ］=”26.234000";
/*1.调用socket函数创建套接字。
TCP协议：
SOCK_STREAM＊/
sockfd=socket（AF_INET,SOCK_STREAM，0）;
if（-1==sockfd）｛
perror（"socket"）；
return-1;
｝
/＊填充服务器信息＊/
structsockaddr_inservaddr；
memset（＆servaddr,0,sizeof（servaddr））;
servaddr。
sin_family=AF_INET；
servaddr.sin_port=htons（PORT）；//端口号
servaddr。
sin_addr.s_addr=inet_addr（SERVERIP）；//ip地址
socklen_tadrlen=sizeof（servaddr）；
/＊2。
调用connect连接服务器端*/
ret=connect（sockfd,（structsockaddr*）&servaddr，adrlen）；
if（—1==ret）{
perror（"connect”）;
return-1;
}
printf（”clientconnectsuccess..\n"）；
structpollfdpfd［2］=｛0};
pfd[0].fd=0;
pfd[0].events=POLLIN；//不阻塞的读数据
pfd［1].fd=sockfd；
pfd［1]。
events=POLLIN;//不阻塞的读数据
/*登录验证*/
if（-1==login（））{
printf（”登录失败\n”）;
return—1；
}
printf（"登录成功。
。
。
\n”）;
interface_print（temp）;
/*5。
调用I/O函数（read/write）与客户端通讯。
＊/
inti=5;
intpos;
while
（1）
{
ret=poll（pfd，2，-1）;
if（ret>0）{
if（pfd［0]。
revents==POLLIN）{
interface_print（temp）；
/*从终端读取数据＊/
memset（buf，0，sizeof（buf））;
ret=read（pfd[0］.fd,buf，sizeof（buf）—1）；
if（ret>0）{
/*发送数据给服务器＊/
write（sockfd，buf,ret）；
}
｝
if（pfd[1］。
revents==POLLIN）｛
if（！
strncmp（buf，"get"，3））｛
/*接收服务器发送的信息*/
memset（temp,0,sizeof（temp））;
ret=read（pfd[1].fd，temp，sizeof（temp）—1）;
if（ret>0）｛
temp[ret-1]=’\0'；
/＊把信息显示到终端*/
interface_print（temp）；
｝
}
}
}elseif（0==ret）{
printf（"超时\n”）;
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