基于Linux操作系统和AT91RM9200处理器实现接口转换卡的设计

李晓丽;黄建国; 发表于 2020-04-04 10:33:00 收藏 已收藏
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基于Linux操作系统和AT91RM9200处理器实现接口转换卡的设计

李晓丽;黄建国; 发表于 2020-04-04 10:33:00
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接口总线为一群互相连接的设备提供一种有效的通信方式,它是自动测试系统发展的标志,可以说接口总线技术发展的历史就是自动测试系统发展史,接口总线技术发展的水平标志着自动测试发展的水平。本文提出的接口转换方案解决了包括USB总线、GPIB总线、网络等几种通用标准接口之间的相互转换。本方案以嵌入式Linux操作系统和ARM处理器为软硬件平台,在自动测试系统的应用中取得了良好的应用效果。

硬件系统设计

硬件平台基于ARM920T的处理器AT91RM9200,该处理器不仅有丰富的片上资源和标准接口,而且有低功耗、低成本、高性能、支持多种主要的嵌入式操作系统等特点,其采用5级整数流水线结构,性能高达200MIPS,具有标准的ARMv4存储器管理单元(MMU),内部集成两个USB2.0全速(12Mb/s)主机端口、一个USB2.0全速(12Mb/s)器件端口和10/100 Base-T型以太网接口。该芯片具有多种工作模式,其低功耗待机模式下电流仅3.1mA。

此方案的硬件系统结构设计如图1所示,主要包括AT91RM9200处理器、GPIB模块、JTAG接口、网络模块、32M SDRAM、16M FLASH、串口、USB主从口等部分。其中GPIB模块通过CPLD器件EPM1270逻辑控制GPIB接口芯片NAT9914实现,网络模块通过外接DM9161实现10/100M自适应网络连接。另外,处理器内置的双主机收发器可连接USB设备。

基于Linux操作系统和AT91RM9200处理器实现接口转换卡的设计

软件系统设计

Linux系统的移植

Linux操作系统是可以运行在不同类型计算机上的一种操作系统的“内核”,它提供命令行或者程序与计算机硬件之间接口的软件核心部分。嵌入式Linux系统从软件角度分为4个层次,分别为引导加载程序(Boot Loader)、内核、文件系统和用户程序。

Boot Loader 就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序,可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图,从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态,以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。

本方案中Linux内核采用Linux2.6.16版的kernel。因为本方案需要访问U盘,所以内核中必须加上支持U盘的模块,包括SCSI support、SCSI disk support、USB mass STorage support、VFAT(windows95)support、MSDOS partitiON tables等。USB器件端口与USB主机通信,可以有三种方式:一些功能最完备结构也最复杂的设备,采用用户定制的内核模块实现在标准USB总线上运行复杂的高级协议,由USB主机上相应的用户驱动程序和应用程序来完成连接;另一些基于Linux系统的USB设备则利用USB总线来实现该设备与主机之间的简单点对点串行连接,主机上的应用程序实际上是利用了主操作系统所提供的USB编程接口,但实现的是串行通信协议;最后一种是设备将主计算机作为网关,将USB设备连接到办公局域网或互联网上,从而USB设备构成了一个模拟以太网接口。本方案采用最后一种方式,配置了内核中的USB RNDIS gadget模块,该模块利用USB接口作为物理媒介,模拟出一个虚构的以太网设备。

文件系统是用户模式进程与内核模式进程交互的纽带,制作具有特定的功能的文件系统是移植嵌入式系统不可缺少的部分。本方案利用Busybox软件工具包构造EXT2文件系统,此软件包集成了Linux常用命令,可根据需求裁减,极大的方便了嵌入式系统的开发。[page]

应用程序的具体实现

数据在多个接口之间的转换主要是在用户态的应用程序中实现。此应用程序主要完成的功能是两个USB主口(一个接USB仪器,一个接U盘)、一个USB从口、GPIB口和网口之间的数据交换。程序自动检测接口是否处于连接状态:如果是,便监听是否有数据需要传送,并将监听到的数据传给其他处于连接状态的接口。整个应用程序的框架如图2所示。

各个子进程的功能如下:

子进程1:USB从口的实现主要依靠内核中的USB RNDIS gadget模块的支持,当USB从口连接至PC时,在PC上模拟以太网接口,用TCP/IP网络协议传输数据;

子进程2:USB主口1专用于USB设备的USB端口;

子进程3:USB主口2专用于U盘,将U盘实际连接,当有数据传给U盘时,便在Linux操作系统上挂载U盘,并以二进制方式将数据存储到U盘的linux.txt文件中,15s内没有数据传输就会卸载U盘;

子进程4:网口是以TCP/IP网络协议传输数据。子进程1和子进程4分别实现了网络服务器功能;

子进程5:在Linux操作系统中为GPIB口准备一个中断例程,当GPIB口有动作时,会首先产生一个中断,应用程序立即跳转中断处理执行程序相关操作。

由于接口总线协议的解析都在Linux驱动中完成,所以子进程间的数据传输直接代表了接口总线的通信。子进程创建了自己专用的管道FIFO,以完成进程间的数据交换。

每个子进程都有一个主线程,完成端口的连接状态检测,主线程的流程图如图3所示。端口输出数据的处理主要由线程readfifo完成,它读取该进程的专用管道FIFO的数据,如果从FIFO中读到了数据,并且该端口连接标志位flag为1(表示该端口处于连接状态),便将此数据填入该端口的输出缓冲区,否则将读到的数据舍去。端口输入数据的处理由另一个线程完成,如果该端口处于连接状态,主线程就会创建该子线程实时读取该端口的输入数据,并将数据通过专用管道传给其他进程。

在整个应用程序中,各个端口的数据转发利用了Linux进程间的数据通信技术。每个端口都设置了一定大小的数据缓冲区,使数据能够连续发送而不受外围控制器速度的影响,接收数据可靠,并尽可能减少了错误接收和错误判断的可能性。

结语

本文介绍了基于AT91RM9200平台和嵌入式Linux的一种接口转换卡的软硬件设计,它实现了USB、GPIB和网络之间的数据通信。此转换卡具有广泛的实际应用价值,如PC通过网络远程控制USB设备或GPIB主机控制USB设备等等。目前本方案已成功应用于示波器的接口扩展,事实证明该方案能够为组建接口总线繁多的自动测试系统提供帮助,取得了良好的效果。

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