基于ARM的智能测温系统设计

（1）DDR2 SDRAM电路
S5PC100 SDRAM控制器通过向外部16位或32位SDRAM
提供接口来扩展芯片存储能力。本平台采用2片K4T1G164
16位宽度DD2 SDRAM组成32位内存，容量256MB，如图3。
（2）NANDFLASH电路与SD卡存储电路 由于系统需要运行Linux系统，系统代码较为复杂，需
要一定容量的存储器存放Linux操作系统源代码以及应用程 序，由于S5PC100内置了NAND FL ASH控制器，因此平台 采用K9F2G08 256MB NAND FLASH直接与S5PC100 NAND FLASH控制器接口连接。SD卡可通过S5PC100内置SDIO1总 线直接连接。其NAND FLASH电路原理图如图4所示、SD卡 的原理图如图5所示。
2.2 温度传感器接口
平台设计了采用DS18B20一线制温度传感器接口。采用 S5PC100处理器GPIO引脚接口控制温度传感器DS18B20的温 度测量，LCD屏输出测量温度，原理图如图6所示。
2.3 温度报警电路
本 设 计 采 用 软 件 处 理 报 警 ， 利 用 无 源 蜂 鸣 器 进 行 报 警，当所测温度超限后输出PWM信号，驱动蜂鸣器报警， 其电路原理图如图7所示。

3 系统软件设计
3.1 Linux操作系统移植
完整的嵌入式linux系统由bootloader、kernel、rootfs等
3个基本部分组成。其中bootloader用于引导和装载操作系统、kernel为linux内核程序、rootfs为文件系统，如图8。
3.1.1 交叉编译环境
嵌入式开发系统受到自身硬件以及软件资源的限制， 无法完成代码的本地编译，其开发需要在宿主机上建立交叉 开发环境。
交叉开发环境是包含了编辑器、编译器、连接器、调 试器和libc库等的程序环境。在开发嵌入式Linux相关软件 时，常用的交叉开发工具是GNU工具链。系统中宿主机使 用的开发环境为ubuntu12.04操作系统，目标板内核版本号为 标准linux-2.6.35，使用到的交叉编译器是arm-linux-gcc-4.5.1。
3.1.2 Bootloader程序设计
Bootloader是在操作系统运行前运行的一段专用程序， 可以完成平台硬件设备的初始化，并能完成引导和调试操作 系统。 Bootloader依赖CPU体系结构，一般将Bootloader按功 能划分为两个阶段，其中第1阶段实现基本硬件电路的初始 化，为操作系统的运行准备环境。在平台中，由于使用的是ARM微控制器，因此第一阶段需要实现设置处理器进入管 理模式、关闭处理器中断与快中断、设置处理器主频、高速 总线主频与告诉外设主频、CPU关闭MMU与数据Cache，初 始化内存控制器，代码由存储器自搬运至内存，设置运行程 序需要的临时堆栈、BSS段清零等工作。第2阶段主要实现 进入交互模式或者自引导模式，实现操作系统的加载，一般 要根据操作系统与硬件平台的需要实现相关硬件的初始化工 作， 如初始化GPIO、串口、网口等外部设备，完成向内核 传递启动参数等功能。
3.1.3 Linux内核的定制
Linux目前已经支持了x86、ARM、MIPS等多种处理器 架构，支持的平台类型多达3000多种。各种ARM处理器的 设计厂商为了更好地推广处理器的使用，都会Linux中添加补丁， 使得该处理器能够在L i nu x 行正常运行。 平台选用
Linux-2.6.35版本，面对大规模的Linux源代码，我们需要对
Linux进行剪裁移植。
Linux源代码采用模块化的组织方式，可以通过条件编 译的方式对Linux源码的功能进行剪裁，但是条件编译法裁 剪的是功能模块，对于具体的硬件驱动和优化就需要对源代 码进行细微的修改了。
3.1.4 根文件系统的建立
根文件系统是存放各种工具软件、库文件、脚本、配 置文件的地方，任何包括这些Linux系统启动所必须的文件 都可以成为根文件系统。Linux支持jffs2，nfs，cramfs，yaffs2 等多种文件系统。在本系统中使用的Ramdisk文件系统，实 际上是把内存划出一部分当作硬盘使用，使得程序运行效率 更高。系统中的工具集合采用BusyBox完成，BusyBox 将许多 具有共性的小版本的UNIX工具结合到一个单一的可执行文 件。这样的集合可以替代大部分常用工具比如GNU fileutils
， shellutils等工具，BusyBox提供了一个比较完善的环境，可 以适用于任何嵌入式设备。
3.2 温度传感器驱动程序的设计
在Linux中，为实现模型抽象和统一操作接口，设备驱 动程序隐藏了设备的具体细节，向用户提供了统一的设备接 口。Linux设备驱动运行于内核中，完成直接硬件操作、设 备管理等工作，并向用户提供了统一的接口模型。Linux下 将设备分为字符、块和网络设备三类，同样设备驱动也分为 字符驱动、块设备驱动和网络设备驱动。字符设备面向的设 备是流式设备，如鼠标、键盘等；块设备面向的是需要随 机存储的设备，它主要包括硬盘、光驱等存储设备；其中 DS18B20属于字符设备。
在 字 符 与 块 设 备 中 由 一 个 主 设 备 号 和 一 个 次 设 备 号
（minor number）标识驱动设备。主设备号用于标识设备类 型，次设备号用于识别同类设备序号。字符驱动程序通过 file_operations结构的指针向用户程序提供接口抽象。
其内核定义如下：
struct file_operations
{
int (*read) (struct inode *inode,struct file *filp,char *buf,int count); /*设备读*/
int (*write) (struct inode *inode,struct file *filp,char *buf,int
count); /*设备写*/int (*ioctl) (struct inode *inode,struct file *filp,unsigned int
cmd,unsigned int arg); /*I/O控制*/
int (*open) (struct inode *inode,struct file *filp); /*设备打 开*/
void (*release) (struct inode *inode,struct file *filp); /*设备 关闭*/
⋯⋯⋯⋯⋯⋯
};
在结构file_operations里，指出了设备驱动程序所提供的 入口点位置，分别是：
read读操作，完成由应用设备向应用程序传递的数据。 write写操作，完成由应用程序向设备发送的数据。 ioctl，进行读、写以外的其它命令操作。 open，打开设备准备进行I/O操作。 release，设备释放操作。 每一个字符设备驱动由一个cdev结构体抽象，具体的驱
动的实现由 file_operations实现，用户程序通过dev_t代表设 备号查找到内核中的cdev，由cdev调用到file_operations，从 而调用到实际的硬件操作函数。

4 结论
本文以便携式手持温度测试仪为技术、应用背景，设 计了一套具备温度测量、数据记录、LCD显示以及网络通信 功能的温度测试设备。
由于便携式手持温度测试仪具有体积小、功耗低同时 又具备较高性能的要求，系统采用了ARM微控制器作为系 统的核心控制单元，并在平台上移植了Linux操作系统以满 足系统对联网、存储方面的需要。对比众多的处理器，选用 了三星公司基于Cortex-A8 内核的 S5PC100处理器，围绕核 心电路设计了温度采集，大容量存储、人机交互、以及网络 通讯等单元电路；在平台电路的基础上实现了Linux系统的 移植工作，并完成了这些设备接口电路的驱动移植工作； 在Linux系统下实现了DS18B20的驱动设计工作，并编写了基 于液晶显示的测试程序。经过实际测试，应用程序能够在 Linux下采集DS18B20的温度数据，并能够实现在LCD上的显 示、存储功能，存储文件能够通过网络的NFS服务导出到PC 端，实现了课题设计的功能。