《嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-linux數(shù)據(jù)采集課設(shè)報(bào)告》

1、北 華 航 天 工 業(yè) 學(xué) 院課程設(shè)計(jì)報(bào)告論文設(shè)計(jì)課題：Linux系統(tǒng)下系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集專業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 王達(dá)偉 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2021年12月 北華航天工業(yè)學(xué)院電子工程系 嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)姓 名：專 業(yè)：電子信息工程班級(jí)：指導(dǎo)教師：王達(dá)偉職 稱：講師課程設(shè)計(jì)題目：Linux系統(tǒng)下系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)要求：1根據(jù)技術(shù)指標(biāo)確定硬件實(shí)現(xiàn)方案，畫出系統(tǒng)的電路原理圖2確定軟件流程圖，并編寫程序3在超級(jí)終端顯示測(cè)量電壓值4提交設(shè)計(jì)報(bào)告技術(shù)指標(biāo)：1輸入電壓范圍所需儀器設(shè)備：計(jì)算機(jī) 嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱 虛擬機(jī)vmware和Red Hat9成果驗(yàn)收形式：上機(jī)驗(yàn)收參考文獻(xiàn)：1 孟慶春,牛

2、欣源著. linux教程.電子工業(yè)出版社.2 張玲,周旭著. linux操作系統(tǒng)原理與應(yīng)用.西安電子科技大學(xué)出版社.3 魏永明,耿岳等譯. linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序.中國(guó)電力出版社.時(shí)間安排第17周到18周完成設(shè)計(jì)題目指導(dǎo)教師：王達(dá)偉 教研室主任：王俊紅2011年 12月28日 內(nèi) 容 摘 要嵌入式系統(tǒng)是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的總稱。Linux是嵌入式操作系統(tǒng)中的一種應(yīng)用比擬廣泛的操作系統(tǒng)。嵌入式Linux 是一種適用于嵌入式系統(tǒng)的源碼開(kāi)放的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng),是目前操作系統(tǒng)領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn),其重點(diǎn)與難點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)嵌人式Linux 下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,可以更好地利用新硬件特性,提高系統(tǒng)

3、訪問(wèn)硬件的效率,改善整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的性能。驅(qū)動(dòng)程序修改非常方便,使應(yīng)用系統(tǒng)非常靈活。Linux的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)中模塊方式調(diào)試效率很高，它使用insmod工具將編譯的模塊直接插入內(nèi)核，如果出現(xiàn)故障，可以使用rmmod從內(nèi)核中卸載模塊，不需要重新啟動(dòng)內(nèi)核，這使驅(qū)動(dòng)調(diào)試效率大大提高。A/D轉(zhuǎn)換器是模擬信號(hào)源和CPU之間聯(lián)系的接口，它的任務(wù)是將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便計(jì)算機(jī)和數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、控制和顯示。本設(shè)計(jì)是在Linux環(huán)境下對(duì)S3C2410芯片的8通道10位A/D的操作與控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換采集。通過(guò)調(diào)整三個(gè)按鈕。采集出的數(shù)據(jù)會(huì)隨之變化。索引關(guān)鍵詞：嵌入式 Linux 驅(qū)動(dòng)程序 A/D

4、轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)采集 目 錄一 概 述 1二 實(shí)驗(yàn)原理 1二 方案設(shè)計(jì) 3三 實(shí)驗(yàn)步驟 3 四 程序源代碼 6五 結(jié)論及體會(huì)9 六 參考文獻(xiàn) 10概述 本課程設(shè)計(jì)通過(guò)編寫驅(qū)動(dòng)程序以及測(cè)試程序并進(jìn)行編譯，在Linux系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)并采集。Linux 中的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)是嵌入式Linux 開(kāi)發(fā)中十分重要的局部，驅(qū)動(dòng)程序的作用是應(yīng)用程序與硬件之間的一個(gè)中間軟件層，為應(yīng)用程序展現(xiàn)硬件的所有功能。Linux 的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)調(diào)試有兩種方法，一種是直接編譯到內(nèi)核，再運(yùn)行新的內(nèi)核來(lái)測(cè)試；二是編譯為模塊的形式，單獨(dú)加載運(yùn)行調(diào)試。模塊方式調(diào)試效率很高，它使用insmod 工具將編譯的模塊直接插入內(nèi)核，如果出現(xiàn)故

5、障，使用rmmod 從內(nèi)核中卸載模塊。不需要重新啟動(dòng)內(nèi)核，這使驅(qū)動(dòng)調(diào)試效率太大提高。A/D轉(zhuǎn)換器是模擬信號(hào)源和CPU之間聯(lián)系的接口，它的任務(wù)是將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便計(jì)算機(jī)和數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、控制和顯示。在工業(yè)控制盒數(shù)據(jù)采集及許多其他領(lǐng)域中，A/D轉(zhuǎn)換是不可缺少的。實(shí)驗(yàn)原理3.1 A/D 轉(zhuǎn)換器 A/D轉(zhuǎn)換器是模擬信號(hào)源和 CPU之間聯(lián)系的接口，它的任務(wù)是將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便計(jì)算機(jī)和數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、控制和顯示。在工業(yè)控制和數(shù)據(jù)采集及許多其他領(lǐng)域中，A/D 轉(zhuǎn)換是不可缺少的。 A/D 轉(zhuǎn)換器有以下類型：逐位比擬型、積分型、計(jì)數(shù)型、并行比擬型、電壓

6、頻率型，主要應(yīng)根據(jù)使用場(chǎng)合的具體要求，按照轉(zhuǎn)換速度、精度、價(jià)格、功能以及接口條件等因素來(lái)決定選擇何種類型。常用的有以下兩種： 1、雙積分型的 A/D 轉(zhuǎn)換器 雙積分式也稱二重積分式，其實(shí)質(zhì)是測(cè)量和比擬兩個(gè)積分的時(shí)間，一個(gè)是對(duì)模擬輸入電壓積分的時(shí)間 T0，此時(shí)間往往是固定的；另一個(gè)是以充電后的電壓為初值，對(duì)參考電源 Vref反向積分，積分電容被放電至零所需的時(shí)間 T1。模擬輸入電壓 Vi與參考電壓 VRef之比，等于上述兩個(gè)時(shí)間之比。由于 VRef、T0 固定，而放電時(shí)間 T1 可以測(cè)出，因而可計(jì)算出模擬輸入電壓的大小(VRef 與 Vi符號(hào)相反)。由于 T0、VRef 為的固定常數(shù)，因此反積分

7、時(shí)間 T1與輸入模擬電壓 Vi 在T0時(shí)間內(nèi)的平均值成正比。輸入電壓 Vi 愈高，VA 愈大，T1就愈長(zhǎng)。在 T1開(kāi)始時(shí)刻，控制邏輯同時(shí)翻開(kāi)計(jì)數(shù)器的控制門開(kāi)始計(jì)數(shù)，直到積分器恢復(fù)到零電平時(shí)， 計(jì)數(shù)停止。 那么計(jì)數(shù)器所計(jì)出的數(shù)字即正比于輸入電壓 Vi在 T0時(shí)間內(nèi)的平均值，于是完成了一次 A/D 轉(zhuǎn)換。由于雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換是測(cè)量輸入電壓 Vi 在 T0 時(shí)間內(nèi)的平均值，所以對(duì)常態(tài)干擾(串摸干擾)有很強(qiáng)的抑制作用，尤其對(duì)正負(fù)波形對(duì)稱的干擾信號(hào)，抑制效果更好。雙積分型的A/D 轉(zhuǎn)換器電路簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，精度高，這是突出的優(yōu)點(diǎn)。但轉(zhuǎn)換速度比擬慢，常用的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換時(shí)間為毫秒級(jí)。例

8、如 12 位的積分型 A/D 芯片 ADCETl2BC，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為 lms。因此適用于模擬信號(hào)變化緩慢，采樣速率要求較低，而對(duì)精度要求較高，或現(xiàn)場(chǎng)干擾較嚴(yán)重的場(chǎng)合。例如在數(shù)字電壓表中常被采用。2、逐次逼近型的 A/D 轉(zhuǎn)換器 逐次逼近型(也稱逐位比擬式)的A/D 轉(zhuǎn)換器，應(yīng)用比積分型更為廣泛，其原理框圖如圖1 所示，主要由逐次逼近存放器SAR、D/A 轉(zhuǎn)換器、比擬器以及時(shí)序和控制邏輯等局部組成。它的實(shí)質(zhì)是逐次把設(shè)定的SAR 存放器中的數(shù)字量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后得到電壓Vc與待轉(zhuǎn)換模擬電壓V。進(jìn)行比擬。比擬時(shí)，先從SAR的最高位開(kāi)始，逐次確定各位的數(shù)碼應(yīng)是“1還是“0，其工作過(guò)程如下： 轉(zhuǎn)換前，先將

9、 SAR 存放器各位清零。轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)，控制邏輯電路先設(shè)定SAR 存放器的最高位為“1 ，其余位為“0 ，此試探值經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換成電壓 Vc，然后將 Vc 與模擬輸入電壓Vx比擬。如果 VxVc，說(shuō)明 SAR最高位的“1”應(yīng)予保存；如果 VxVc，說(shuō)明 SAR 該位應(yīng)予清零。然后再對(duì)SAR存放器的次高位置“1 ，依上述方法進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換和比擬。如此重復(fù)上述過(guò)程，直至確定 SAR 存放器的最低位為止。過(guò)程結(jié)束后，狀態(tài)線改變狀態(tài)，說(shuō)明已完成一次轉(zhuǎn)換。最后，逐次逼近存放器 SAR 中的內(nèi)容就是與輸入模擬量 V 相對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字量。顯然 A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù) N 決定于 SAR 的位數(shù)和 D/A

10、的位數(shù)。圖 1(b)表示四位 A/D 轉(zhuǎn)換器的逐次逼近過(guò)程。轉(zhuǎn)換結(jié)果能否準(zhǔn)確逼近模擬信號(hào)，主要取決于 SAR和 D/A的位數(shù)。位數(shù)越多，越能準(zhǔn)確逼近模擬量，但轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間也越長(zhǎng)。 逐次逼近式的 A/D 轉(zhuǎn)換器的主要特點(diǎn)是：轉(zhuǎn)換速度較快，在 1100/s 以內(nèi)，分辨率可以達(dá) 18 位，特別適用于工業(yè)控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)換時(shí)間固定，不隨輸入信號(hào)的變化而變化。抗干擾能力相對(duì)積分型的差。例如，對(duì)模擬輸入信號(hào)采樣過(guò)程中，假設(shè)在采樣時(shí)刻有一個(gè)干擾脈沖迭加在模擬信號(hào)上，那么采樣時(shí)，包括干擾信號(hào)在內(nèi)，都被采樣和轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，這就會(huì)造成較大的誤差，所以有必要采取適當(dāng)?shù)臑V波措施。a逐次漸進(jìn)式A/D轉(zhuǎn)換原理圖 b逐次逼近

11、過(guò)程原理圖圖1 逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器方案設(shè)計(jì)本課題是基于linux操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，應(yīng)用試驗(yàn)箱上面的ADC模塊，通過(guò)編寫linux對(duì)應(yīng)的ADC模塊驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，并通過(guò)minicom顯示在超級(jí)終端上面。課題完成過(guò)程中應(yīng)完成以下任務(wù)：1、了解嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱核心板及ADC模塊的電路原理圖及工作原理。2、 理解無(wú)操作系統(tǒng)情況下把S3C2410作為一個(gè)32位的單片機(jī)，用片上集成的ADC模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的工作過(guò)程。3、 熟悉linux文件系統(tǒng)，掌握l(shuí)inux字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)原理及的流程，理解用戶應(yīng)用程序調(diào)用內(nèi)核設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的過(guò)程。 4、使用通用的Linux操作，編寫簡(jiǎn)單的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)

12、程序，完成應(yīng)用程序調(diào)用字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，深入理解程序執(zhí)行過(guò)程。5、編寫ADC模塊的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，在實(shí)驗(yàn)箱上驗(yàn)證編寫的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。利用minicom，顯示結(jié)果顯示在PC機(jī)的終端上。 實(shí)驗(yàn)步驟1、準(zhǔn)備工作、虛擬機(jī)設(shè)置如下：a、將vmware聯(lián)網(wǎng)改為橋接方式，順序選中菜單VMsettingsHardwareNetwaor Adapter，在彈出對(duì)話框的右邊將Network Connection，改為Bridged；b、順序選中菜單EditVirtual Network EditorHost Virtual Network Mapping，在彈出的對(duì)話框中選“Host Virtual Network

13、 Mapping屬性頁(yè)，為VMnet0選為計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡，如圖2：圖2主機(jī)虛擬網(wǎng)絡(luò)映射方式設(shè)置c、將F盤共享；d、關(guān)閉防火墻，運(yùn)行命令 #chkconfig iptables offe、重啟nfs和portmap效勞，運(yùn)行命令#service nfs restart#service portmap restart1.2、NFS掛載配置如下：主機(jī)：L1.3、將F盤的ADC目錄拷貝到linux下地/root/myjob目錄下： 執(zhí)行命令：cp /mnt/hgfs/F/ADC rf /root/myjob2、編譯ADC驅(qū)動(dòng)文件并掛載到試驗(yàn)箱的操作系統(tǒng)下、進(jìn)入/root/myjob/ADC目錄，修改Mak

14、efile文件在實(shí)驗(yàn)箱上運(yùn)行的版本KERNELDIR = /arm2410cl/kernel/linux-2410cl/#KERNELDIR=/usr/src/linux-8INCLUDEDIR = $(KERNELDIR)/include#CROSS_COMPILE=CROSS_COMPILE=/opt/host/armv4l/bin/armv4l-unknown-linux-其它地方不用修改，存盤退出2.2、回到/root/myjob/ADC目錄，編譯程序，運(yùn)行命令：#make2.3、掛載/root/myjob到試驗(yàn)箱步驟如下：a、進(jìn)入試驗(yàn)箱操作系統(tǒng)，運(yùn)行命令minicom同時(shí)重啟試驗(yàn)箱：

15、b、設(shè)置試驗(yàn)箱的IP、網(wǎng)關(guān)，運(yùn)行命令：c、運(yùn)行完以上步驟即可掛載，運(yùn)行命令yaffsmount t nfs o nolock 192.168.1.169:/root/myjob /mnt/nfs3、運(yùn)行調(diào)試程序2、運(yùn)行調(diào)試程序，運(yùn)行命令yaffs./test_adc.o 運(yùn)行結(jié)果如下：/mnt/nfslsbusybox-1.00-pre10 demo target/mnt/nfscd adc/mnt/nfs/adclsADC initializeddevice open sucess!程序源代碼1.驅(qū)動(dòng)程序源代碼使用vi編輯器或其他編輯器閱讀理解源代碼。其中adc_read,adc_write

16、函數(shù)完成驅(qū)動(dòng)的讀寫接口功能，do_write函數(shù)實(shí)現(xiàn)將用戶寫入的數(shù)據(jù)逆序排列，通過(guò)讀取函數(shù)讀取轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。這里只是演示接口的實(shí)現(xiàn)過(guò)程和內(nèi)核驅(qū)動(dòng)對(duì)用戶的數(shù)據(jù)的處理。adc_ioctl函數(shù)演示ioctl調(diào)用接口的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。驅(qū)動(dòng)代碼如下：#include #include #include #include /* printk() */#include #include #include #include #include #include #undef DEBUG#ifdef DEBUG#define DPRINTK(x.) printk(_FUNCTION_(%d): ,_LINE_);prin

17、tk(#x);#else#define DPRINTK(x.) (void)(0)#endif#define START_ADC_AIN(x) ADCCON = PRESCALE_EN | PRSCVL(255) | ADC_INPUT(x) ; ADCCON |= ADC_START; #define DEVICE_NAME sinosys /*設(shè)備的目錄名為sinosys*/#define adc_MAJOR 254 /*主設(shè)備號(hào)為254*/#define adc_MINOR 0 /*從設(shè)備號(hào)為0*/#define CHANNEL_IOW(p, 0 xa2,int) /*定義ioctl號(hào)*

18、/#define MAX_CHANNEL 2 /*最大的通道數(shù)*/ static struct semaphore adc_lock; /*鎖*/static wait_queue_head_t adc_wait; /*等待隊(duì)列*/static unsigned int adc_ain; /*當(dāng)前通道*/static void adcdone_int_handler(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *reg)DPRINTK(adcdone_initn);wake_up(&adc_wait); /*喚醒等待隊(duì)列*/*adc的原始讀函數(shù)*/int s3c

19、2410_adc_read(int ain)int ret = 0;if (down_interruptible(&adc_lock) /*加鎖*/return -ERESTARTSYS;START_ADC_AIN(ain); /*啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換過(guò)程*/sleep_on_timeout(&adc_wait, HZ/100); /*把程序加到等待隊(duì)列中*/ /*超時(shí)值為HZ/100(10ms)*/ret = ADCDAT0 ; /*蘇醒到代表ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束，以讀取ADC的值*/up(&adc_lock); /*解鎖*/adc_wait = NULL;DPRINTK(AIN%d = 0 x%04x

20、, %dn, ain, ret, ADCCON & 0 x80 ? 1:0);return (ret & 0 x3ff); /*返回ADC中的轉(zhuǎn)換值*/static ssize_t adc_read(struct file *filp, char *buffer, size_t count, loff_t *ppos)int retval ;retval = s3c2410_adc_read( adc_ain ); /*調(diào)用ADC原始讀函數(shù)*/DPRINTK(The value of channel %d : %xn, adc_ain, retval);retval = put_user(re

21、tval, (int *)buffer); /*把數(shù)據(jù)傳回用戶空間*/if (!retval)retval = sizeof(unsigned long);return retval;/*IO口控制函數(shù)*/static ssize_t adc_ioctl(struct inode *inode, struct file *file,unsigned int cmd, unsigned long arg)switch(cmd)case CHANNEL:DPRINTK(Change to ADC channel %dn,(int)arg);if (int)arg MAX_CHANNEL) adc_

22、ain = (int) arg;break;default:DPRINTK(error cmd numbern);break;return 0;static ssize_t adc_open(struct inode *inode, struct file *file)MOD_INC_USE_COUNT;printk(device open sucess!n);adc_ain = 0;return 0;static ssize_t adc_release(struct inode *inode, struct file *filp)MOD_DEC_USE_COUNT;printk(device

23、 releasen);return 0;static struct file_operations adc_fops = owner: THIS_MODULE,read: adc_read,ioctl: adc_ioctl,open: adc_open,release: adc_release,;#ifdef CONFIG_DEVFS_FSstatic devfs_handle_t devfs_adc_dir, devfs_adcraw;#endifint _init s3c2410_adc_init(void)init_MUTEX(&adc_lock); /*初始化鎖*/init_waitq

24、ueue_head(&adc_wait); /*初始化等待隊(duì)列*/* normal ADC */ADCTSC = 0; /XP_PST(NOP_MODE); /*設(shè)定ADC存放器初值*/if (request_irq(IRQ_ADC_DONE, adcdone_int_handler, SA_INTERRUPT,ADC, NULL) 0) /*申請(qǐng)中斷*/goto irq_err;#ifdef CONFIG_DEVFS_FS /*建立sinosys設(shè)備目錄*/devfs_adc_dir = devfs_mk_dir(NULL, DEVICE_NAME, NULL);devfs_adcraw =

25、 devfs_register(devfs_adc_dir, adc, DEVFS_FL_DEFAULT,adc_MAJOR, adc_MINOR, S_IFCHR | S_IRUSR | S_IWUSR,&adc_fops, NULL);#elseint result;SET_MODULE_OWNER(&adc_fops);result = register_chrdev(adc_MAJOR, scullc, &adc_fops);if (result 0) return result;/ if (adc_MAJOR = 0) adc_MAJOR = result; /* dynamic */#endifprintk(DEVICE_NAME initializedn);return 0;irq_err:return 1;module_init(s3c2410_adc_init); /*定義模塊的初始化函數(shù)為s3c2410_adc_init*/#ifdef MODULEvoid _exit s3c2410_adc