基于ARM uCLinux的網絡控制系統設計與實現

引言

隨著網絡和通信技術的發展，嵌入式系統現已進入高速發展階段。并在社會各個領域得到了廣泛的應用。本文介紹了一種采用ARM+uCLinux作為開發平臺。實現基于TCP／IP的遠程系統監控．從而取代傳統單片機來實現數據采集、預處理和通信功能；并依靠互聯網將數據向上位機傳送，同時支持遠端客戶對設備進行遠程控制，從而實現遠程監控功能的具體方法。

1 系統平臺的構建

本系統由嵌入式平臺服務器、前端控制器、前端傳感器、客戶端和配置PC組成。開發時可通過配置PC來下載系統和應用軟件。嵌入式系統平臺能夠收集現場數據。并傳送到遠端客戶機，之后由遠端客戶機對數據進行處理，接著發送控制信號給系統服務器，以便通過前端控制器對設備進行遠程控制。其系統結構如圖1所示
 

1．1 硬件開發平臺
 

該系統的硬件開發平臺可選擇SmartARM2200。該嵌入式設備的核心是ARM7TDMI的LPC2210．開發板自身具有A／D轉換器和多個GPIO(通用I／O)口，可對工業現場的各種設備、儀表進行數據采集和監控。使用時，只要將相應的傳感器信號接入控制器的端口即可。其開發板系統的硬件配置如圖2所示。

1．2 uCLinux操作系統

操作系統是嵌入式設備軟件的核心部分。本系統采用uCLinux系統平臺來完成對硬件系統的管理和維護。uCLinux是廣泛應用于微控制領域的一種嵌入式Linux操作系統。它通過對標準Linux內核的裁減，可去除虛擬內存管理部分代碼，以對內存分配進行優化。從而達到提高系統運行效率的目的。uCLinux則可經過各方面的小型化改造形成一個高度優化、代碼緊湊的嵌入式Linux，它保留了Linux的大多數優點，包括穩定、良好的移植性、優秀的網絡功能、完備的文件系統支持、豐富的API等。

1．3 uCLinux在ARM平臺上的移植

若將uCLinux移植到SmartARM2200上，需要進行以下四個步驟：

(1)下載源碼，建立交叉編譯環境

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系統下，以便正常在Red Hat9．0建立起交叉編譯環境。

(2)配置和編譯內核

進入到安裝好的uCLinux目錄，依次執行下面的命令：

make menuconfig；進入配置菜單后，選擇Vendor／Product(廠商／產品)下的PHILIPS／lpc2200；用Kernel Version(內核版本)選擇Linux-2．4．x，Libc Version(函數庫版本)選擇uClibc：其余內核和應用程序選項可根據情況選擇。

make dep

make clean

make lib_only

make user_only

make romfs

make image

make 

編譯結束后會在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內核文件，并以下列方式將其轉換成bin格式

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

從而生成下載用的uCLinux內核鏡像文件linux．bin。

(3)制作Ram Disk掛栽根文件系統

首先創建一個512 kB的虛擬磁盤，并將虛擬磁盤文件格式轉化成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加載到主機文件系統上，并在RAM中建立需要的目錄：／bin，／dev，／etc，／var，進而拷貝ROM中的文件到ram目錄中。

下來在RAM盤dev目錄下創建設備節點：

#mknod ram／dev／ttyS0 c 4 64

#mknod ram／dev／console c 5 1

最后卸載init．img和romfs．img，并應確保init．img修改已保存，至此，RAM DISK便創建完成。

(4)下載內核和文件系統

正確設置主板啟動選擇跳線。主板加電后，在超級終端上便可以看到BootLoader引導信息，可選擇默認的FTP連接，并使用BootLoader默認的IP進行下載，然后啟動gftp，輸入主板默認的IP和端口號。這樣，linux主機就可以和主機連接，最后選擇需要下載的Linux內核文件和RAM盤及相關的配置文件即可。

2 監控系統功能的實現

監控系統主要由3個部分組成：數據采集部分，設備控制部分，數據傳輸部分。數據采集部分可對傳感器信號進行A／D轉換，并對采集到的數據進行簡單的處理，同時提供調整運行參數的接口。數據傳輸部分可將采集的數據傳送到遠端的主機，并接收遠端主機的控制信息。遠端主機則對傳輸過來的遠程數據進行處理、存儲和顯示，并可以修改數據采集部分的參數以控制數據采集，同時依據采集到的數據對設備發出操作指令，或對遠端的設備進行控制，從而實現遠程監控功能。

2．1 數據采集

使用A／D轉換設備前，首先要創建設備節點，并加載ADC驅動，然后通過open()和close()將其打開和關閉．主要的數據采集程序如下：

……

ioctl(fd，ADC_SET_CLKDIV，(Fpclk+fadc1)/fadc-1)；／／設置A／D轉換速度

ioctl(fd，ADC_SET_BITS，10)；／／設置A／D轉換精度； 

while(1) {

ad_data=0；

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

……
 

2．2 GPIO設備控制

同A／D轉換設備類似，使用GPIO也需先創建設備節點并加載驅動。對GPIO操作前，應通過open()打開，使用后應通過close()關閉。

 首先。選定開發板上沒有使用過的GPIO端口，設定其輸入／輸入狀態，然后根據客戶端返回的信息對端口進行操作，輸出0／1的電平，以使其外部連接的繼電器動作。從而控制設備的運轉。程序主要通過函數ioctl來實現。ioctl是設備驅動程序中對設備的I／O通道進行管理的函數，通過它可對設備的一些特性進行控制．其函數原形為：

int ioctl(int fd，ind cmd，…)；

其中，fd是用程序打開設備時，使用open函數返回的文件標示符；cmd是用戶程序對設備的控制命令；至于后面的省略號，則是一些補充參數(一般最多一個，有或沒有是和cmd的意義相關的)。在這里，可通過如下一組函數來實現：

ioctl(fd1，GPIO_SET_PIN_IN，devicel)；

／／設置管角為輸出狀態；

ioctl( fd2， GPIO_SET_PIN_OUT， devicel_state)； 

／／設置管角為輸入狀態；

ioctl(fd2,GPIO_READ_PIN,&devicel_state)；

／／讀取設備狀態管角；

ioctl(fd1，GPIO_CLR_PIN,device)；

／／清除設備管角控制信號；

2．3 網絡通信程序

網絡通信程序可使用TCP／IP協議下標準的socket套接字編寫。套接字(socket)是網絡通信的基本操作單元。它提供了不同主機間進程雙向通信的端點。這些進程在通信前應各自建立一個socket，并通過對socket的讀／寫操作實現網絡通信功能。常用的套接字有兩種：流式套接字(Stream Socket)和數據報套接字(Datagram Socket)。其中，流式套接字是可靠的面向連接的通信數據流，是無錯誤的傳輸；而數據報套接字則使用UDP來傳送數據包，數據包的順序是沒有保障的。本系統采用流式套接字進行程序設計。

流式套接字的服務進程和客戶進程建立連接及通信的程序流程如圖3所示。現具體說明如下：
 

(1)服務進程首先調用socket()創建一個流式套接字，并調用bind()將服務器地址捆扎在該套接字上，接著調用listen()監聽連接請求，隨后調用accept()做好與客戶進程建立連接的準備。無連接請求時，服務進程被阻塞；

(2)客戶進程先調用socket()創建流式套接字，然后調用connect()向服務進程發出連接請求；

(3)當連接請求到來后，服務進程被喚醒，并生成一個新的流式套接字。同時用新套接字同客戶進程的套接字建立連接，而服務進程最早生成的套接字則繼續用于監聽網絡上的服務請求；

(4)服務進程和客戶進程通過調用send()和recv()來交換數據，服務器可向客戶端傳送所收集的數據。客戶端則向服務器反饋控制信息和參數調整信息； 
 

(5)服務進程或客戶進程可通過調用close()來撤消套接字并中斷連接。

服務器端的程序通過交叉編譯環境編譯后。可通過NFS(網絡文件系統)下載到開發板中，然后手動加入到rc引導文件中。即可實現開機自動運行

3 結束語

基于ARM和CLinux嵌入式系統代表了目前嵌入式系統的發展方向。嵌入式系統與網絡技術和控制技術相結合．是嵌入式系統發展的必然趨勢。本文討論了基于ARM+uCLinux平臺的網絡控制系統設計與實現方法。并對該平臺下應用TCP／IP協議進行網絡通信進行了探討。該方法對于自動化樓宇、工業控制、智能家居等方面都有一定的借鑒意義。