基于arm-linux和單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設(shè)計

1、第21卷V0121第21期No2l電子設(shè)計工程ElectronicDesignEngineering2013年11月NOV2013基于ARM—Linux和單片機(jī)的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設(shè)計楊斌一，滿峰，姜秀杰，劉波(1中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中，北京100190；2中國科學(xué)院研究生院北京100049)摘要：為升級現(xiàn)有單片機(jī)系統(tǒng)并保證系統(tǒng)的重用性和集成性，設(shè)計了單片機(jī)和嵌入Linux的ARM基于SPI總線的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。通過在原有系統(tǒng)上增加AR

2、M，既可以提升系統(tǒng)的性能和功能，又相對地減少了升級系統(tǒng)的工作量，另外通信速率高。文章介紹了系統(tǒng)硬件設(shè)計、單片機(jī)裸機(jī)程序設(shè)計以及Linux下驅(qū)動和用于測試驅(qū)動的應(yīng)用程序設(shè)計。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，具有實際工程應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞：LPC3250：嵌入式Linux：C8051F120；SPI中圖分類號：TN99文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674—6236(2013)21—0126—04Designofdatacommunicationsy

3、stembasedonARM—LinuxandMCUYANGBin，MANFeng，JIANGXiujie，LIUBo(1CenterforspaceScienceandAppliedResearch，ChineseAcademyofSciences，Bering100190，China；2GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences，Bering100049，China)Abstract：A

4、imingatupgradingtheexistingMCUsystemandensuringreusabilityandintegration，thispaperdesignsadatacommunicationsystemofMCUandARMLinuxbasedonSPIbusAddingARMtotheoriginalsystemnotonlyimprovesperformanceandfunctionalityofthesys

5、tem，butalseducestheworkloadofupgradingthesystemrelativelyInaddition，thecommunicationrateisveryhighThepaperdiscussesthehardwaredesign，thesoftwaredesignunderMCU，thedriverandapplicationdesignunderARMLinuxThetestresultsshowt

6、hatthedesignisreliableandhaspracticalvalueKeywords：LPC3250；embeddedLinux；C8051F120；SPI在前些年很多嵌人式產(chǎn)品都是基于單片機(jī)而開發(fā)設(shè)計的。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，原來產(chǎn)品的功能開始變得不足和落后。例如，以前基于單片機(jī)的產(chǎn)品很多沒有以太網(wǎng)功能和文件管理功能，且擴(kuò)展性差。增加和更新產(chǎn)品功能成為保持原來產(chǎn)品競爭力的關(guān)鍵。此時，單片機(jī)的局限性便顯示出來。單片機(jī)雖然

7、開發(fā)簡單、價格低廉，但資源卻較少【1]。如果直接將單片機(jī)更換成高端的處理器，難度和工作量都將會很大。所以，在原來系統(tǒng)中增加功能強(qiáng)大的處理器例如ARM，是一個很好的解決方法。ARM的高性能、低功耗使其成為現(xiàn)代流行嵌入式系統(tǒng)的首選。而且現(xiàn)在的中高端ARM可以嵌入Linux操作系統(tǒng)，這使開發(fā)軟件變得方便、安全和高效。單片機(jī)主要有RS232、I2C、SPI總線，現(xiàn)在已有的產(chǎn)品，ARM和單片機(jī)通信主要是通過串ISl，但通信速率較低。本文使用恩智普

8、公司的ARM9處理器LPC3250和CYGNAL公司的C8051F120單片機(jī)，設(shè)計并實現(xiàn)了嵌入式Linux下ARM9和單片機(jī)基于SPIm總線的數(shù)據(jù)通信接口。1系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)的硬件連接圖如圖1所示。收稿日期：2013—04—09稿件編號：201304099基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助(2011AA7033045)電源模塊圖1硬件連接圖Fig1Hardwareconnectiondiagram系統(tǒng)中LPC3250與C8051F1

9、21通過SSP總線相連接。SSP總線兼容SPI、4線SSI或Mierowire總線。在系統(tǒng)中SSP被配置為SPI的幀格式與單片機(jī)通信。C8051F120的P02、P03、Po4、P05經(jīng)過數(shù)字交叉開關(guān)的選擇，依次對應(yīng)SPI／SSP接口的SCK、MISO、MOSI、NSS。其中，SCK是時鐘信號：MOSI是主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出和從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入信號：MISO是從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出和主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入信號；NSS是片選信號。ARM與單片機(jī)除了通過SPI總線相

10、連接外，還將ARM的GPO_20端口與單片機(jī)的外部中斷0端口相連接。單片機(jī)的P16端口經(jīng)過數(shù)字交叉開關(guān)的選擇，被設(shè)置為外部中斷O端口。此連接用于ARM每秒給單片機(jī)提供一個外部中斷信號單片機(jī)根據(jù)此中斷更新發(fā)送數(shù)據(jù)。作者簡介：楊斌(1988一)，男，河南信陽人，碩士研究生。研究方向：航天器綜合電子技術(shù)。126sj～至J《電子設(shè)計工程2013年第21期structfile_operationsc8051fl2l_fops=owner=THIS

11、—MODULE，open=c805lfl20_openwrite=c8051f120_write，read：c805lf120_readrelease=c805lf120_release，l；結(jié)構(gòu)的第一個字段幾乎在所有情況下都被初始化為THIS_MODULE，此處可以不管，但必不可少。open提供給驅(qū)動程序以初始化的能力嘲。c8051f120_open要完成的任務(wù)包括：復(fù)用管腳選擇；控制器使能、主／從機(jī)選擇；幀長度設(shè)置、時鐘和相位極性設(shè)

12、置、通信速率設(shè)置、禁止中斷。LPC3250的SPI管腳與SSP管腳復(fù)用，如果使用SPI控制器控制管腳，則只能半雙工通信；如果使用SSP控制器控制SPI總線通信，可以實現(xiàn)全雙工。由于單片機(jī)端的SPI是全雙工，所以系統(tǒng)中將SPUSSP復(fù)用管腳配置為SSP管腳。LPC325O的SSP控制SPI總線通信每幀長度可以設(shè)置為4到16位，考慮到C8051F120作為從SPI設(shè)備時。一次只能傳輸一個字節(jié)，所以把LPC3250的數(shù)據(jù)長度設(shè)置為8位。通信速

13、率設(shè)置為500K。時鐘和相位極性和單片機(jī)端的設(shè)置一致即可。c8051f120_open部分代碼如下：，木ssel0／gpio_05復(fù)用管腳設(shè)置為gpio_05，iowfite32(15，p2一mux_clr)；將gpio_05配置為輸出／iowrite32(130，p2一dir_set)；／SPUSSP復(fù)用管腳設(shè)置為ssp／iowrite32((39)I(112)，p_mux_clrOx04)；使能SSP0時鐘／iowrite32(0x

14、01，ssp_ctr1)；SSP控制器使能。并作總線主機(jī)，iowrite32((11)，sspOcr0Ox04)；iowrite32((7O)l幀數(shù)據(jù)長度8bit／(O4)I，宰配置為SPI幀格式／(16)l時鐘極性CPOL為高／(07)I第一個時鐘捕獲，(28)SSP通信位速率／，ssp0crO)；由于SPI的全雙工特性，同時進(jìn)行讀寫操作，所以，e8051f120_write只通過copy_from_user函數(shù)接收應(yīng)用程序要發(fā)送給單

15、片機(jī)的數(shù)據(jù)，并將其保存在內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，等待c8051f120_read函數(shù)讀單片機(jī)的同時把此數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)。e8051f120_read函數(shù)是LPC3250與C8051F120通信的重點，它讀取C8051F120中的數(shù)據(jù)，并通過copy_to_user函數(shù)傳給應(yīng)用程序。c8051f120_read函數(shù)的程序流程如圖4所示。—128應(yīng)用程序read系統(tǒng)調(diào)用片選信號拉低收緩沖I否為空發(fā)送數(shù)據(jù)啟動一次數(shù)據(jù)傳輸鑒蘭否將讀到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成

16、char型并存放在一維數(shù)組中已讀取數(shù)據(jù)個數(shù)1將整個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)從內(nèi)核空間傳到用戶空間清零數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)返回傳到用戶空間的字節(jié)數(shù)圖4c805lfl20_read函數(shù)流程圖Fig4Flowchartofc8051f120_readfunction當(dāng)應(yīng)用程序通過read系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入c8051f120_read后，先拉低片選信號。然后檢查接收FIFO是否為空，因為LPC3250每秒讀取一組數(shù)據(jù)，為了將數(shù)據(jù)和時間對應(yīng)起來，每次讀取前，需要確保接收FIFO為

17、空。然后，讀?、魝€數(shù)據(jù)后。每次讀取數(shù)據(jù)的方法：啟動一次數(shù)據(jù)傳輸，并通過查詢SSP0狀態(tài)寄存器SSPoSR的第4位是否為0來確定數(shù)據(jù)傳輸是否結(jié)束。傳輸結(jié)束后，當(dāng)接收FIFO中有數(shù)后，讀取數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成char類型后存放在char型的一維數(shù)組中。如此，讀取Ⅳ個數(shù)據(jù)后將一維數(shù)組中的Ⅳ個字節(jié)通過copytouser函數(shù)傳遞的應(yīng)用程序所在的用戶空間，并返回傳遞字節(jié)數(shù)。c8051f120_release對應(yīng)著系統(tǒng)調(diào)用中的close函數(shù)。它需要完成這

18、個驅(qū)動所涉及的配置寄存器的復(fù)位。在c805lf120_release中，只需做與c8051f120_open相反的任務(wù)，將SSP控制器相關(guān)的寄存器復(fù)位，然后給出文件關(guān)閉的打印提示。32單片機(jī)中斷信號產(chǎn)生驅(qū)動設(shè)計此驅(qū)動程序與SPI通信的驅(qū)動程序在結(jié)構(gòu)上是一樣的，都是要實現(xiàn)structfile_operations結(jié)構(gòu)中函數(shù)。此驅(qū)動模塊只實現(xiàn)了open、release和write函數(shù)。在open中，設(shè)置GPO一20輸出高電平。在write中