一種ARM9＆LINUX下RS485總線的通信設(shè)計

余熾業(yè) 雷瑞庭 宋躍 王健偉，2

(1. 東莞理工學(xué)院 電子工程學(xué)院，廣東東莞 523808;2. 華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院，廣州 510640)

在ARM、Linux 技術(shù)廣泛應(yīng)用的今天，RS485 總線憑其傳輸距離遠(yuǎn)、抑制共模干擾能力強(qiáng)、用戶可以自定義應(yīng)用協(xié)議等優(yōu)點(diǎn)在各種工業(yè)控制場合中而得到廣泛的應(yīng)用［1－2］。而其設(shè)計由于要涉及l(fā)inux 內(nèi)核復(fù)雜代碼的修改，所以設(shè)計比較麻煩［3－4］，如何簡便地完成其RS485 通信設(shè)計也是值得研究的。我們在實(shí)際的工程設(shè)計中就此進(jìn)行了研究與探索。

工程要求是:在ARM920T 核的S3C2440 處理器和嵌入式LINUX 基礎(chǔ)上，完成ARM 和PC 機(jī)遠(yuǎn)程9600 bps 的穩(wěn)定通信。

本設(shè)計以RS232 與半雙工RS485 總線在I/O 控制方向的不同點(diǎn)為切入口，通過編寫單個IO 的驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)485 總線的方向控制，在應(yīng)用層編程中利用多進(jìn)程的發(fā)現(xiàn)調(diào)用方向控制程序，從而實(shí)現(xiàn)RS485 的通信，本文在介紹硬件接口、系統(tǒng)設(shè)計過程的同時，重點(diǎn)介紹LINUX 系統(tǒng)的軟件設(shè)計思想與設(shè)計過程。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

S3C2440 處理器片內(nèi)集成了許多嵌入式應(yīng)用的控制器，可以方便地實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用中的各種接口模塊。本設(shè)計中用到了S3C2440 片內(nèi)集成的三個UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，由于UART0 在移植嵌入式LINUX 的時候被用作控制臺(console)，所以如今用到的是UART1。由于ARM處理器的引腳電平和EIA 規(guī)定的電器標(biāo)準(zhǔn)不一樣，所以必須要外接電平轉(zhuǎn)換芯片［1，5－7］，利用片內(nèi)UART 外接不同的轉(zhuǎn)換芯片可以輕松地實(shí)現(xiàn)RS485 或者RS232 串行協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。RS485 采用差分信號負(fù)邏輯，+2V ～+6V 表示“0”，－6V ～－2V 表示“1”。為了達(dá)到RS485 總線的電氣特性標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計中用到Analog Devices 公司的半雙工RS－485 隔離收發(fā)器。

ADM2483 是帶隔離的增強(qiáng)型RS485 收發(fā)器，它包括一個三通道隔離器，一個帶三態(tài)輸出的差分驅(qū)動器和一個帶三態(tài)輸入的差分接收器，允許多達(dá)256 個收發(fā)器接入總線，最高傳輸速率為500 Kbps，邏輯端兼容3V/5V 工作電源?？偩€端5 V 供電。

圖1 為系統(tǒng)中利用S3C2440 中的UART1 實(shí)現(xiàn)半雙工的RS－485 總線的原理圖，在同一時刻里數(shù)據(jù)只能往一個方向傳輸。其中的引腳RE’與DE 分別為接收使能和發(fā)送使能端，現(xiàn)在將其并聯(lián)起來接到S3C2440 的nCTS0 引腳，由該引腳的電平控制芯片數(shù)據(jù)的方向。要發(fā)送數(shù)據(jù)時要叫其置1，接收數(shù)據(jù)時要將其清0。

圖1 S3C2440－485 接口原理圖

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 方向控制端的驅(qū)動

由于在RS485 標(biāo)準(zhǔn)中僅僅規(guī)定了總線的電氣特性，而電氣特性的轉(zhuǎn)換則由AMD2483 芯片完成，所以在LINUX 操作系統(tǒng)中，完全可以借助內(nèi)核的串口驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)［4，8－9］。區(qū)別在于要在串口收發(fā)數(shù)據(jù)前增加一個方向控制I/O 的驅(qū)動。在linux2.6 內(nèi)核源碼當(dāng)中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)好了對S3C2440 的GPIO 的設(shè)置函數(shù)，可以在GPIO 口的驅(qū)動程序中直接調(diào)用，在本設(shè)計中用到了兩個內(nèi)核函數(shù)(在arch/arm/plat－s3c24xx/gpio. c)其函數(shù)原型如下:

void s3c2410_ gpio_ cfgpin(unsigned int pin，unsigned int function)。此函數(shù)的功能是設(shè)置引腳的功能，參數(shù)pin 是要設(shè)置的引腳，對應(yīng)著是nCTS0 也即是S3C2410_ GPH0 引腳，參數(shù)function 是要設(shè)置引腳的功能，設(shè)置中用到的是輸出功能所以該值是S3C2410_ GPH0_ OUTP。

void s3c2410_ gpio_ setpin(unsigned int pin，unsigned int x)。此函數(shù)的功能是設(shè)置引腳的輸出值，參數(shù)pin 是要設(shè)置的引腳，參數(shù)x 是要設(shè)置引腳的輸出值0 或者1。

單個引腳的驅(qū)動可以以簡單字符設(shè)備的驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)，其中只用到了一個重要的函數(shù)為

2.2 LINUX 串口編程

在嵌入式LINUX 中已經(jīng)對串口的驅(qū)動有了很好的支持，而且已經(jīng)將很多串口的功能設(shè)置都封裝好，可以在應(yīng)用層直接調(diào)用。串口的設(shè)備文件位于/dev 目錄下，對串口的收發(fā)數(shù)據(jù)同樣的是通過對設(shè)備文件的讀寫操作來實(shí)現(xiàn)的［2，9－10］。

在使用串口之前必須對其進(jìn)行相關(guān)的配置，包括:波特率，數(shù)據(jù)位，校驗(yàn)位，停止位等。串口的設(shè)置有結(jié)構(gòu)體struct termios 來體現(xiàn)的。利用串口相關(guān)的函數(shù)來設(shè)置結(jié)構(gòu)體里面的值就可以完成串口的相關(guān)配置［11－12］。在本設(shè)計中將串口配置為波特率是9 600 bps，8 位數(shù)據(jù)位，無校驗(yàn)，1 位停止位。

2.3 LINUX 多進(jìn)程程序設(shè)計

LINUX 系統(tǒng)上的進(jìn)程間有父子關(guān)系。一個進(jìn)程有且僅有一個父進(jìn)程，但是可能有多個子進(jìn)程。在LINUX 系統(tǒng)中可以使用三個系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建進(jìn)程:fork()，vfork()，和clone()。其中fork()系統(tǒng)調(diào)用是穿件進(jìn)程最常用的方式，其接口頭文件與函數(shù)原型如下:

當(dāng)fork 調(diào)用成功返回時，系統(tǒng)中將會出現(xiàn)一個新的進(jìn)程。新的進(jìn)程為原進(jìn)程的子進(jìn)程，而原進(jìn)程則是新進(jìn)程的父進(jìn)程。子進(jìn)程幾乎完全克隆了父進(jìn)程的一切特性，包括虛擬地址空間和執(zhí)行進(jìn)度。fork 函數(shù)返回一個pid_ t 型的進(jìn)程ID，從程序員的角度看，父子進(jìn)程的唯一差異在于fork 函數(shù)的返回值是不同的:父進(jìn)程返回的是非零值，是其子進(jìn)程的ID，如果是－1，就表示創(chuàng)建進(jìn)程失敗;而在子進(jìn)程中永遠(yuǎn)返回0。這就是在程序中判斷是父進(jìn)程的依據(jù)。

在LINUX 系統(tǒng)中，經(jīng)常將一個進(jìn)程的執(zhí)行流程從一個可執(zhí)行程序轉(zhuǎn)移到另一個可執(zhí)行程序，也就是裝載并運(yùn)行一個程序。這些函數(shù)通常被稱為exec 函數(shù)族，它們的接口頭文件和原型如下:

以上各個函數(shù)的對比如表1 所示:

表1 各個函數(shù)的對比

3 應(yīng)用程序測試

測試環(huán)境為在已經(jīng)移植好linux 嵌入式操作系統(tǒng)的S3C2440 處理器。由于S3C2440 處理器自帶著三個串口，本次測試用到的是串口1。串口波特率設(shè)置為9 600 bps，8 位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗(yàn)，1 位停止位。測試的方法是上位機(jī)PC 利用串口調(diào)試助手不斷的往S3C2440 上發(fā)送“hello world”字符串，下位機(jī)接收到該字符串后改變串口為寫模式，然后把該字符串發(fā)回給PC 機(jī)，這樣就可以在PC 機(jī)的串口調(diào)試助手里面看到發(fā)送回來的字符串有無錯誤。

部分程序片斷如下:

4 結(jié)語

由于進(jìn)程調(diào)度的開銷，通信中數(shù)據(jù)的更新的時間間隔不能太短。實(shí)驗(yàn)測試中PC 是每間隔1 000 ms往ARM 發(fā)送一次數(shù)據(jù)，通信數(shù)據(jù)量4 kB，設(shè)計達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。盡管偶爾有誤碼出現(xiàn)，但本設(shè)計中避免了涉及l(fā)inux 內(nèi)核復(fù)雜代碼的的修改，仍不失為有實(shí)用價值的設(shè)計方法。

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