自動站氣壓傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)串口擴(kuò)展設(shè)計

馬修才 ， 溫曉輝 ， 牛永紅

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)大氣探測技術(shù)保障中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象信息中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

串口作為常用的通信接口，在嵌入式領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)如今，隨著計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備連入網(wǎng)絡(luò)的要求越來越迫切。目前，電子領(lǐng)域仍存在著大量的串口設(shè)備，對現(xiàn)有的串口設(shè)備進(jìn)行改造使其具備聯(lián)網(wǎng)功能將耗費(fèi)大量人力、財力。自動氣象站的氣壓傳感器[1]接口為232串口，為提高檢定/校準(zhǔn)的效率，設(shè)計了氣壓傳感器多路采集器，將多路氣壓串口信號轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)信號傳輸，可以同時批量完成傳感器的檢定/校準(zhǔn)任務(wù)。氣壓傳感器多路采集器在設(shè)計時，由于主控芯片自帶232串行端口數(shù)量有限，需要進(jìn)行串口的擴(kuò)展。串口擴(kuò)展的實(shí)現(xiàn)方案多種多樣[2-6]，本設(shè)計采用的是嵌入式微控制器+專用串口擴(kuò)展芯片的方法[7-9]。本文以嵌入式設(shè)備驅(qū)動的整個開發(fā)流程為主線，從硬件電路設(shè)計、Linux下的擴(kuò)展串口驅(qū)動、驅(qū)動測試等方面對本設(shè)計展開討論。

1 硬件平臺及串口擴(kuò)展芯片介紹

S3C2440A基于ARM920T核心，集成了強(qiáng)大的片上功能，多達(dá)130個復(fù)用用戶IO，4通道DMA控制器，3通道64位FIFO的UART，8通道多路復(fù)用ADC，支持IIC、IIS、SPI接口。

TL16C754B與EXAR的ST16C654管腳兼容，內(nèi)置4個可獨(dú)立工作的UART單元，最高波特率可達(dá)3 Mbit/s，具有軟/硬件流控功能，可設(shè)置4路UART在不同的波特率下工作，并可選擇各種串行數(shù)據(jù)格式。對驅(qū)動程序開發(fā)人員來說，必須要了解以下引腳功能[10]：CS[A:D]為4路UART的選通信號引腳，低電平有效；A[0:2]為3位地址線；D[0:7]為8位數(shù)據(jù)線；TX/RX[A:D]為4路UART串行發(fā)送/接收引腳；INT[A:D]為4路UART的中斷信號引腳；RESET為芯片的復(fù)位信號，高電平有效；INTSEL為UART中斷屏蔽引腳，高電平時能UART中斷，低電平時需視MCR寄存器的第3位而定；CLKSEL為芯片時鐘選擇引腳，高電平時為低電平時的四倍頻；XTAL1、XTAL2為芯片外部晶振的輸入輸出引腳，外接晶振典型值為1.843 2 M、3.072 M。該器件內(nèi)部共有20個8位寬的寄存器，在硬件連接正確的情況下，只要地址正確，就能像讀取MCU內(nèi)部寄存器那樣讀取芯片的內(nèi)部寄存器。通過A0~A2這3根地址線的8種狀態(tài)來區(qū)分20個寄存器，這20個寄存器中一定有一些是地址重疊的，這就需要通過讀寫信號及某些寄存器的特定位來進(jìn)行唯一確定。S3C2440A與TL16C754B硬件連接圖，如圖1所示。

圖1 S3C2440A與TL16C754B硬件連接圖

S3C2440A的nGCS5地址譯碼芯片使能端口相連接，addr0[3:5]連接地址譯碼器的輸入，地址譯碼器的8個輸出端依次連接兩片TL16C754B的8個通道的片選信號，S3C2440A的addr[0:2]分別與TL16C754B的A[0:2]順序直連，S3C2440A讀寫控制信號與TL16C754B讀寫控制信號。兩片TL16C754B的8個通道UART寄存器的尋址范圍為：0×28000000-0×2800003F。

2 Linux下的TL16C754B驅(qū)動

2.1 Linux下的終端設(shè)備驅(qū)動

終端設(shè)備多種多樣，如串行終端、顯示器、telnet終端、HSS終端等。串口也屬于一種終端設(shè)備，它的驅(qū)動程序不僅僅是簡單的初始化硬件、接收/發(fā)送數(shù)據(jù)。串口驅(qū)動程序從上到下可分為四層：終端設(shè)備層、行規(guī)層、串口抽象層、串口芯片層。

終端設(shè)備層實(shí)現(xiàn)了用于注冊終端設(shè)備的接口函數(shù)tty_register_driver()，行規(guī)層實(shí)現(xiàn)了tty_disc結(jié)構(gòu)體中的成員，串口抽象層的drivers/serial/serial_core.h將各類串口的共性概括出來，串口類型的識別/波特率的設(shè)置都是通過這一層來完成的。串口芯片層與具體的芯片有關(guān)，比如訪問地址和中斷號，并對芯片寄存器進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，對于標(biāo)準(zhǔn)串口，大部分驅(qū)動工作都是在這一層完成。TL16C754與8250/16550等標(biāo)準(zhǔn)串口在結(jié)構(gòu)與操作方式上具有一致性，因此可以參考Linux內(nèi)核中的8250/16550等標(biāo)準(zhǔn)串口驅(qū)動8250.c完成Linux下的TL16C754的驅(qū)動。

2.2 Linux下的串口驅(qū)動編程思路

串口抽象層的serial_core.c為串口芯片層驅(qū)動提供了三個結(jié)構(gòu)：uart_driver、uart_port、uart_ops以及對應(yīng)的接口函數(shù)。uart_driver封裝了tty_driver，包含了串口設(shè)備的驅(qū)動名稱、設(shè)備名稱和主次設(shè)備號等信息。uart_port用來描述一個串口的地址、中斷號、端口類型等信息。uart_ops定義了針對串口的操作，如打開、關(guān)閉、線路設(shè)置等。

串口芯片層驅(qū)動程序需要完成的任務(wù)很明確：實(shí)現(xiàn)uart_driver、uart_port、uart_ops結(jié)構(gòu)體實(shí)例并初始化它們；模塊初始化時調(diào)用uart_register_driver()和uart_add_one_port()完成串口驅(qū)動的注冊和端口的添加，模塊卸載時調(diào)用對應(yīng)的“反函數(shù)”進(jìn)行回收處理；根據(jù)串口芯片手冊實(shí)現(xiàn)uart_ops實(shí)例中的成員函數(shù)，串口芯片驅(qū)動的大部分任務(wù)是在這里完成的。

2.3 驅(qū)動數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義和驅(qū)動模塊初始化

定義uart_driver實(shí)體serial_16c754，定義UART_NR個uart_port實(shí)體，本設(shè)計中UART_NR定義為8。driver_name成員代表驅(qū)動名稱，在Linux下用cat/proc/drivers命令所看到的驅(qū)動名稱；dev_name成員代表設(shè)備名稱，在Linux下用cat/proc/tty/driver/serialEX所看到的串口設(shè)備名稱，如ttysEX0；major成員代表驅(qū)動主設(shè)備號；minor成員代表驅(qū)動的起始次設(shè)備號；nr成員代表串口個數(shù)。

定義驅(qū)動的uart_ops，其中較為重要的成員函數(shù)具體實(shí)現(xiàn)將在2.4小節(jié)中進(jìn)行介紹。除了調(diào)用uart_register_driver()和uart_add_one_port()完成串口驅(qū)動的注冊和端口的添加，Linux2.6內(nèi)核中，還新增了platform驅(qū)動的結(jié)構(gòu)，在內(nèi)核啟動時由probe機(jī)制自動完成平臺設(shè)備結(jié)構(gòu)數(shù)組和平臺驅(qū)動的匹配。在TL16C754B的驅(qū)動模塊初始化時，調(diào)用platform_device_register()和platform_driver_register()完成擴(kuò)展串口平臺設(shè)備和平臺驅(qū)動的注冊。此前，需要定義擴(kuò)展串口的平臺數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義和初始化。

plat_serial16c754_port結(jié)構(gòu)體st16c654_data加入dmdk2410的platform_device結(jié)構(gòu)體數(shù)組里，內(nèi)核啟動時會將此結(jié)構(gòu)體信息加載到內(nèi)核中。內(nèi)核將通過probe機(jī)制尋找與之匹配的驅(qū)動自動完成tl16c754串口驅(qū)動的加載。另外，模塊初始化函數(shù)中還要完成TL16C754B芯片復(fù)位和中斷申請的任務(wù)。

2.4 串口操作函數(shù)實(shí)現(xiàn)

serial16c754_startup：應(yīng)用程序的open()函數(shù)，最終會調(diào)用到serial16c754_startup，主要完成串口芯片寄存器的初始化工作。serial16c754_set_mctrl：應(yīng)用程序的tcsetattr()函數(shù)，最終會調(diào)用serial16c754_set_mctrl，主要完成串行通信的通信格式的設(shè)定等功能。serial16c754_get_mctrl：應(yīng)用程序的tcgetattr()函數(shù)，最終會調(diào)用serial16c754_get_mctrl，主要完成串行通信的通信格式的設(shè)定等功能。serial16c754_shutdown：應(yīng)用程序的close()函數(shù)，最終會調(diào)用到serial16c754_shutdown，功能與serial16c754_startup相反。中斷處理函數(shù)static irqreturn_t serial16c754_interrupt：串口最終的數(shù)據(jù)收發(fā)都是在此完成的，當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用write()函數(shù)時，系統(tǒng)經(jīng)過層層調(diào)用，達(dá)到驅(qū)動的serial16c754_start_tx函數(shù)，啟動串口發(fā)送中斷，驅(qū)動在中斷處理函數(shù)中將緩存中的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，直到發(fā)送緩存為空，驅(qū)動程序調(diào)用serial16c754_stop_tx關(guān)閉串口發(fā)送中斷；當(dāng)串口接收到數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)個數(shù)超過串口接收中斷觸發(fā)層級或者產(chǎn)生串口超時中斷，驅(qū)動在中斷處理函數(shù)中將接收到的數(shù)據(jù)寫入內(nèi)核中的串口數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，此時如果應(yīng)用程序調(diào)用了read()函數(shù)，內(nèi)核會把內(nèi)核中的串口數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)返回給應(yīng)用程序。

3 驅(qū)動測試及結(jié)果

驅(qū)動調(diào)試完成之后，重新編譯、下載內(nèi)核，啟動新的內(nèi)核后，執(zhí)行“#cat/proc/tty/driver/serialEX”命令，可以查看擴(kuò)展串口的內(nèi)核相關(guān)信息。將8個擴(kuò)展串口與安裝有串口卡（至少8個串口）的PC機(jī)相連，利用PC機(jī)下串口測試軟件和擴(kuò)展串口平臺Linux下的簡單多串口應(yīng)用程序完成擴(kuò)展串口的驅(qū)動測試。PC串口測試軟件每秒鐘產(chǎn)生數(shù)據(jù)包長度為255的無符號char型隨機(jī)數(shù)據(jù)，通過串口卡串口發(fā)送到擴(kuò)展串口，擴(kuò)展串口平臺串口應(yīng)用程序?qū)⒔邮盏降臄?shù)據(jù)通過擴(kuò)展串口原樣發(fā)送回串口卡串口，由PC機(jī)串口測試軟件統(tǒng)計成功回送次數(shù)。在以上測試條件下運(yùn)行2 330 min左右，8路串口在長時不間斷工作情況下，未產(chǎn)生丟包，可靠性高。

4 結(jié)束語

本設(shè)計為TL16C754B串口擴(kuò)展的硬件系統(tǒng)設(shè)計和Linux下的串口驅(qū)動開發(fā)提供了一個示例，可作為設(shè)計多串口服務(wù)器時進(jìn)行串口擴(kuò)展的參考方案。氣壓傳感器多路采集器可以支持多路氣壓傳感器同時接入，大大提高傳感器的檢定/校準(zhǔn)效率。