基于嵌入式Linux的接口轉換卡設計

接口總線為一群互相連接的設備提供一種有效的通信方式，它是自動測試系統發展的標志,可以說接口總線技術發展的歷史就是自動測試系統發展史,接口總線技術發展的水平標志著自動測試發展的水平。本文提出的接口轉換方案解決了包括USB總線、GPIB總線、網絡等幾種通用標準接口之間的相互轉換。本方案以嵌入式Linux操作系統和ARM處理器為軟硬件平臺，在自動測試系統的應用中取得了良好的應用效果。

硬件系統設計

硬件平臺基于ARM920T的處理器AT91RM9200，該處理器不僅有豐富的片上資源和標準接口，而且有低功耗、低成本、高性能、支持多種主要的嵌入式操作系統等特點，其采用5級整數流水線結構，性能高達200MIPS，具有標準的ARMv4存儲器管理單元（MMU），內部集成兩個USB2.0全速（12Mb/s）主機端口、一個USB2.0全速（12Mb/s）器件端口和10/100 Base-T型以太網接口。該芯片具有多種工作模式，其低功耗待機模式下電流僅3.1mA。

此方案的硬件系統結構設計如圖1所示，主要包括AT91RM9200處理器、GPIB模塊、JTAG接口、網絡模塊、32M SDRAM、16M FLASH、串口、USB主從口等部分。其中GPIB模塊通過CPLD器件EPM1270邏輯控制GPIB接口芯片NAT9914實現，網絡模塊通過外接DM9161實現10/100M自適應網絡連接。另外，處理器內置的雙主機收發器可連接USB設備。

圖1  硬件系統結構

軟件系統設計

Linux系統的移植

Linux操作系統是可以運行在不同類型計算機上的一種操作系統的“內核”，它提供命令行或者程序與計算機硬件之間接口的軟件核心部分。嵌入式Linux系統從軟件角度分為4個層次，分別為引導加載程序（Boot Loader）、內核、文件系統和用戶程序。

Boot Loader 就是在操作系統內核運行之前運行的一段小程序。通過這段小程序，可以初始化硬件設備、建立內存空間的映射圖，從而將系統的軟硬件環境帶到一個合適的狀態，以便為最終調用操作系統內核準備好正確的環境。

本方案中Linux內核采用Linux2.6.16版的kernel。因為本方案需要訪問U盤，所以內核中必須加上支持U盤的模塊，包括SCSI support、SCSI disk support、USB mass storage support、VFAT（windows95）support、MSDOS partition tables等。USB器件端口與USB主機通信，可以有三種方式：一些功能最完備結構也最復雜的設備，采用用戶定制的內核模塊實現在標準USB總線上運行復雜的高級協議，由USB主機上相應的用戶驅動程序和應用程序來完成連接；另一些基于Linux系統的USB設備則利用USB總線來實現該設備與主機之間的簡單點對點串行連接，主機上的應用程序實際上是利用了主操作系統所提供的USB編程接口，但實現的是串行通信協議；最后一種是設備將主計算機作為網關，將USB設備連接到辦公局域網或互聯網上，從而USB設備構成了一個模擬以太網接口。本方案采用最后一種方式，配置了內核中的USB RNDIS gadget模塊，該模塊利用USB接口作為物理媒介，模擬出一個虛構的以太網設備。

文件系統是用戶模式進程與內核模式進程交互的紐帶，制作具有特定的功能的文件系統是移植嵌入式系統不可缺少的部分。本方案利用Busybox軟件工具包構造EXT2文件系統，此軟件包集成了Linux常用命令，可根據需求裁減，極大的方便了嵌入式系統的開發。

應用程序的具體實現

數據在多個接口之間的轉換主要是在用戶態的應用程序中實現。此應用程序主要完成的功能是兩個USB主口（一個接USB儀器，一個接U盤）、一個USB從口、GPIB口和網口之間的數據交換。程序自動檢測接口是否處于連接狀態：如果是，便監聽是否有數據需要傳送，并將監聽到的數據傳給其他處于連接狀態的接口。整個應用程序的框架如圖2所示。

圖2  應用程序整體框架


各個子進程的功能如下：

子進程1：USB從口的實現主要依靠內核中的USB RNDIS gadget模塊的支持，當USB從口連接至PC時，在PC上模擬以太網接口，用TCP/IP網絡協議傳輸數據；

子進程2：USB主口1專用于USB設備的USB端口；

子進程3：USB主口2專用于U盤，將U盤實際連接，當有數據傳給U盤時，便在Linux操作系統上掛載U盤，并以二進制方式將數據存儲到U盤的linux.txt文件中，15s內沒有數據傳輸就會卸載U盤；

子進程4：網口是以TCP/IP網絡協議傳輸數據。子進程1和子進程4分別實現了網絡服務器功能；

子進程5：在Linux操作系統中為GPIB口準備一個中斷例程，當GPIB口有動作時，會首先產生一個中斷，應用程序立即跳轉中斷處理執行程序相關操作。

由于接口總線協議的解析都在Linux驅動中完成，所以子進程間的數據傳輸直接代表了接口總線的通信。子進程創建了自己專用的管道FIFO，以完成進程間的數據交換。

每個子進程都有一個主線程，完成端口的連接狀態檢測，主線程的流程圖如圖3所示。端口輸出數據的處理主要由線程readfifo完成，它讀取該進程的專用管道FIFO的數據，如果從FIFO中讀到了數據，并且該端口連接標志位flag為1（表示該端口處于連接狀態），便將此數據填入該端口的輸出緩沖區，否則將讀到的數據舍去。端口輸入數據的處理由另一個線程完成，如果該端口處于連接狀態，主線程就會創建該子線程實時讀取該端口的輸入數據，并將數據通過專用管道傳給其他進程。

圖3  主線流程圖


在整個應用程序中，各個端口的數據轉發利用了Linux進程間的數據通信技術。每個端口都設置了一定大小的數據緩沖區，使數據能夠連續發送而不受外圍控制器速度的影響，接收數據可靠，并盡可能減少了錯誤接收和錯誤判斷的可能性。

結語

本文介紹了基于AT91RM9200平臺和嵌入式Linux的一種接口轉換卡的軟硬件設計，它實現了USB、GPIB和網絡之間的數據通信。此轉換卡具有廣泛的實際應用價值，如PC通過網絡遠程控制USB設備或GPIB主機控制USB設備等等。目前本方案已成功應用于示波器的接口擴展，事實證明該方案能夠為組建接口總線繁多的自動測試系統提供幫助，取得了良好的效果。

linux操作系統文章專題:linux操作系統詳解（linux不再難懂）