張立立 張鵬飛 沙毅 方晶晶

【摘要】本文設(shè)計(jì)的光柵檢測(cè)系統(tǒng)主要應(yīng)用在高精度噴繪機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制單元。本文以Linux操作系統(tǒng)為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，分別從自動(dòng)配置和初始化子程序、服務(wù)于I/O請(qǐng)求的子程序、中斷程序三個(gè)部分詳細(xì)說(shuō)明了光柵檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程。本系統(tǒng)通過(guò)實(shí)際運(yùn)行與測(cè)試，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

【關(guān)鍵詞】光柵檢測(cè);高精度噴繪機(jī);Linux操作系統(tǒng);軟件程序

近幾年來(lái)，大幅面噴繪市場(chǎng)發(fā)生了巨大變化，大幅面產(chǎn)品的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，已逐步滲透到包括廣告、裝飾、攝影等許多行業(yè)。隨著大幅面打印技術(shù)的不斷成熟，噴繪機(jī)[1]在全球范圍得到迅速普及，特別是在我國(guó)的廣告制作領(lǐng)域更是得到革命性的應(yīng)用。

噴繪機(jī)的性能指標(biāo)[2]主要包括：打印速度和打印精度。噴繪機(jī)的打印速度是以單位時(shí)間的出畫(huà)面積來(lái)衡量，打印精度（分辨率）用DPI（點(diǎn)每英寸）來(lái)衡量，單位長(zhǎng)度內(nèi)的點(diǎn)數(shù)越多，DPI越大，畫(huà)面就越清晰。為了提高打印精度，減少2個(gè)點(diǎn)之間距離，必須提高噴頭的點(diǎn)火頻率。為了提高噴繪機(jī)的打印速度必須提高噴頭的移動(dòng)速度。隨著噴繪機(jī)制造行業(yè)的迅猛發(fā)展，原有產(chǎn)品不論在打印精度上還是在打印速度上已經(jīng)不具有市場(chǎng)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，甚至有一些方面已經(jīng)處于劣勢(shì)。這樣必須及時(shí)推出高打印精度，高打印速度的噴繪設(shè)備，才能使公司在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。本文設(shè)計(jì)的光柵系統(tǒng)主要用于小車(chē)打畫(huà)過(guò)程中的精確定位，使畫(huà)面的點(diǎn)均勻分布。光柵尺的精度為180DPI，通過(guò)正交解碼最高可達(dá)到720DPI。

1.Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)編程

Linux的核心設(shè)備驅(qū)動(dòng)是一組運(yùn)行在特權(quán)等級(jí)上的內(nèi)存駐留底層硬件處理共享庫(kù)，正是它們負(fù)責(zé)管理各個(gè)設(shè)備[3]。在Linux操作系統(tǒng)[4]中，需要內(nèi)核建立應(yīng)用程序和設(shè)備之間的抽象接口，而不是由應(yīng)用程序直接操作硬件。為此，操作系統(tǒng)一般提供設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，專(zhuān)門(mén)完成對(duì)特定硬件的控制。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)嶋H是處理或操作硬件控制器的軟件，從本質(zhì)上講，它們是內(nèi)核中具有高特權(quán)級(jí)的、駐留內(nèi)存的、可共享的底層處理硬件例程[5]。

在Linux系統(tǒng)中，一個(gè)基本的特點(diǎn)是它抽象了設(shè)備處理，所有硬件設(shè)備的操作和通常的文件一樣，利用標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用可在設(shè)備上進(jìn)行打開(kāi)、關(guān)閉、讀取或?qū)懭氩僮鳌Ｏ到y(tǒng)中的每個(gè)設(shè)備由設(shè)備特殊文件代表，每個(gè)由相同設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序控制的設(shè)備具有相同的主設(shè)備號(hào)，而從設(shè)備號(hào)則用來(lái)區(qū)分同類(lèi)設(shè)備中不同的設(shè)備。設(shè)備特殊文件的VFS索引節(jié)點(diǎn)中包含設(shè)備號(hào)的信息。如果通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用來(lái)訪問(wèn)設(shè)備，則內(nèi)核通過(guò)該VFS節(jié)點(diǎn)中的設(shè)備號(hào)信息調(diào)用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

Linux支持字符、塊及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備三種硬件設(shè)備[6]。字符設(shè)備指那些無(wú)需緩沖直接讀寫(xiě)的設(shè)備，像系統(tǒng)中的串口設(shè)備。塊設(shè)備則僅能以塊為單位進(jìn)行讀寫(xiě)。Linux核心中存在許多不同的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，這些驅(qū)動(dòng)具有以下的共同特點(diǎn)[7]：

（1）核心代碼：設(shè)備驅(qū)動(dòng)是核心的一部分，如同核心中其他代碼一樣，出錯(cuò)將導(dǎo)致系統(tǒng)的嚴(yán)重?fù)p害，甚至使系統(tǒng)崩潰，導(dǎo)致文件系統(tǒng)的破壞和數(shù)據(jù)丟失。

（2）核心接口：設(shè)備驅(qū)動(dòng)必須為L(zhǎng)inux核心或者其從屬子系統(tǒng)提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口。

（3）核心機(jī)制與服務(wù)：設(shè)備驅(qū)動(dòng)可以使用標(biāo)準(zhǔn)的核心服務(wù)，如中斷發(fā)送和等待隊(duì)列等。

（4）動(dòng)態(tài)可加載：多數(shù)Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)可以在核心模塊發(fā)出加載請(qǐng)求時(shí)加載，在不再使用時(shí)卸載，這樣核心能有效的利用系統(tǒng)資源。

（5）可配置：Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)可以連接到核心中，可以配置決定那些設(shè)備驅(qū)動(dòng)被連入核心。

（6）動(dòng)態(tài)性：當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)初始化時(shí)，將查找它所控制的硬件設(shè)備，如果某個(gè)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)為一個(gè)空閑的過(guò)程并不會(huì)有什么問(wèn)題。此時(shí)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)僅僅是一個(gè)冗余的程序，它除了占用少量系統(tǒng)內(nèi)存外，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成什么危害。

2.光柵檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

Linux核心與設(shè)備驅(qū)動(dòng)之間有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方式進(jìn)行互操作的接口。每一類(lèi)設(shè)備驅(qū)動(dòng)都提供通用的接口，這種通用接口使得核心可以用相同的方式來(lái)對(duì)待不同的設(shè)備及設(shè)備驅(qū)動(dòng)。嵌入式Jupiter系統(tǒng)[8]通過(guò)外部中斷5對(duì)光柵檢測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)，當(dāng)中斷信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，即驅(qū)動(dòng)程序執(zhí)行設(shè)定的任務(wù)。外中斷五中斷服務(wù)程序流程圖如圖1所示。

圖1 外中斷五中斷服務(wù)程序流程圖

對(duì)用戶程序來(lái)說(shuō)，Linux系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序隱藏了設(shè)備的具體細(xì)節(jié)，對(duì)各種不同設(shè)備提供一致的接口，一般來(lái)說(shuō)是把設(shè)備映射為一個(gè)特殊的設(shè)備文件，用戶程序可以像對(duì)其它文件一樣對(duì)此設(shè)備文件進(jìn)行操作。Linux對(duì)硬件設(shè)備支持兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口：塊設(shè)備文件和字符設(shè)備文件，分別稱(chēng)為塊設(shè)備接口和字符文件接口。每一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序由如下三個(gè)部分組成：

2.1 自動(dòng)配置和初始化子程序init

負(fù)責(zé)檢測(cè)所要驅(qū)動(dòng)的硬件設(shè)備是否存在和是否能正常工作，同時(shí)自動(dòng)配置和初始化。這一部分程序會(huì)在系統(tǒng)啟動(dòng)的過(guò)程中自動(dòng)執(zhí)行。在內(nèi)核啟動(dòng)的最后階段運(yùn)行這一部分程序，首先通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用register_chrdev向系統(tǒng)申請(qǐng)一個(gè)主設(shè)備號(hào)，如果這個(gè)主設(shè)備號(hào)已經(jīng)被別的設(shè)備占用，將會(huì)返回一個(gè)錯(cuò)誤的信息;然后通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用request_irq請(qǐng)求使用這個(gè)設(shè)備，如果這個(gè)設(shè)備沒(méi)有注冊(cè)成功，或者使用的條件不足，也會(huì)返回一個(gè)錯(cuò)誤信息。如果這兩步都沒(méi)有問(wèn)題的話，驅(qū)動(dòng)程序就加載到了內(nèi)核，在用戶程序空間就可以使用這個(gè)設(shè)備。

2.2 服務(wù)于I/O請(qǐng)求的子程序

服務(wù)于I/O請(qǐng)求的子程序，又稱(chēng)為驅(qū)動(dòng)程序的上半部分。調(diào)用這部分是由于系統(tǒng)調(diào)用的結(jié)果。這部分程序在執(zhí)行的時(shí)候，系統(tǒng)仍認(rèn)為是和進(jìn)行調(diào)用的進(jìn)程屬于同一個(gè)進(jìn)程，只是由用戶態(tài)變成了核心態(tài)，但是具有進(jìn)行此系統(tǒng)調(diào)用的用戶程序的運(yùn)行環(huán)境。因此，可以在子程序中調(diào)用于進(jìn)程相關(guān)的系統(tǒng)庫(kù)函數(shù)。

這一部分程序?qū)嶋H的作用就是用戶程序空間和內(nèi)核空間進(jìn)行通信，由用戶程序空間向內(nèi)核空間傳達(dá)各種參數(shù)，或者從內(nèi)核空間獲取設(shè)備的各種信息。

在系統(tǒng)內(nèi)部，I/O設(shè)備的存取操作通過(guò)一組固定的入口點(diǎn)進(jìn)行，這組入口點(diǎn)是由每個(gè)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序提供的。嵌入式操作系統(tǒng)中的字符型設(shè)備提供一下入口點(diǎn)：

open（struct inode *inode， struct file *file）：

打開(kāi)設(shè)備準(zhǔn)備I/O操作，系統(tǒng)通過(guò)設(shè)備名稱(chēng)，函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)來(lái)區(qū)分每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序的入口點(diǎn)操作函數(shù);第二個(gè)參數(shù)說(shuō)明這個(gè)函數(shù)的文件結(jié)構(gòu)體，主要說(shuō)明設(shè)備的使用類(lèi)型。對(duì)字符特別設(shè)備文件進(jìn)行打開(kāi)操作，都會(huì)調(diào)用設(shè)備的open入口點(diǎn)函數(shù)。Open子程序必須對(duì)將要進(jìn)行的I/O操作做好必要的準(zhǔn)備工作。如果設(shè)備是獨(dú)占的，那么同一時(shí)間只能有一個(gè)程序訪問(wèn)此設(shè)備，則open子程序必須設(shè)置一些標(biāo)志，以表示設(shè)備處于忙狀態(tài)。

在嵌入式操作系統(tǒng)中，定時(shí)器一、定時(shí)器二和外中斷五主要用open函數(shù)設(shè)置驅(qū)動(dòng)程序的打開(kāi)狀態(tài)，防止設(shè)備在打開(kāi)之前就已經(jīng)開(kāi)始使用的情況，同時(shí)還將設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的一些計(jì)數(shù)變量初始化。

release（struct inode*inode，struct file*file）：

釋放一個(gè)設(shè)備。當(dāng)使用設(shè)備終結(jié)后，調(diào)用release子程序。在程序的試驗(yàn)開(kāi)發(fā)階段有用，因?yàn)榍度胧疆a(chǎn)品的控制程序主要是一個(gè)不斷循環(huán)的過(guò)程，不存在設(shè)備的關(guān)閉和資源的釋放。

read （struct inode*inode，struct file *filp，char *buf，int count）：

從設(shè)備上讀數(shù)據(jù)。對(duì)于有緩沖的I/O操作，一般是從緩沖區(qū)里讀數(shù)據(jù)。對(duì)字符設(shè)備文件進(jìn)行讀操作將調(diào)用read子程序。Count指定了讀取的字節(jié)數(shù)，讀取的數(shù)據(jù)置入以buffer為首地址的內(nèi)存空間。在定時(shí)器一中，read函數(shù)主要用來(lái)將定時(shí)器發(fā)生的次數(shù)清零，并且將主程序放入等待隊(duì)列。

write（struct inode*inode，struct file *filp，char*buf，int count）：

往設(shè)備上寫(xiě)數(shù)據(jù)。對(duì)于有緩沖區(qū)的I/O操作，一般是把數(shù)據(jù)寫(xiě)入緩沖區(qū)里。對(duì)字符設(shè)備特別設(shè)備文件進(jìn)行寫(xiě)操作將調(diào)用write子程序，寫(xiě)入的數(shù)據(jù)放在Buf為起始地址的內(nèi)存空間里，字節(jié)數(shù)為count代表的值。

2.3 中斷服務(wù)子程序

中斷服務(wù)子程序，又稱(chēng)為驅(qū)動(dòng)程序的下半部分：

isr（int irq，void *dev_id，struct pt_regs *regs）：

其中irq代表設(shè)備的硬件中斷號(hào)，dev_id代表設(shè)備名稱(chēng)，pt_regs代表設(shè)備使用的寄存器的值。這是一個(gè)回調(diào)函數(shù)，中斷發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用這個(gè)函數(shù)，傳入的參數(shù)包括硬件中斷號(hào)、設(shè)備號(hào)、寄存器值。

在Linux系統(tǒng)中，并不直接從中斷向量表中調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的中斷服務(wù)子程序，而是由Linux系統(tǒng)來(lái)接收硬件中斷，再由系統(tǒng)調(diào)用中斷服務(wù)子程序。中斷可以產(chǎn)生在任何一個(gè)進(jìn)程運(yùn)行的時(shí)候。因此，在中斷服務(wù)程序被調(diào)用的時(shí)候，不能依賴(lài)于任何進(jìn)程的狀態(tài)，也就不能調(diào)用與進(jìn)程運(yùn)行環(huán)境有關(guān)的函數(shù)。因?yàn)樵O(shè)備驅(qū)動(dòng)程序一般支持同一類(lèi)型的若干設(shè)備，所以一般在系統(tǒng)調(diào)用中斷服務(wù)子程序的時(shí)候，都帶有一個(gè)或者多個(gè)參數(shù)，以唯一標(biāo)識(shí)請(qǐng)求服務(wù)的設(shè)備。

Jupiter提供了6個(gè)外中斷源，中斷反應(yīng)時(shí)間在10-25微秒。每識(shí)別到一個(gè)光柵信號(hào)觸發(fā)一次中斷，在中斷程序中首先用計(jì)數(shù)器記錄中斷產(chǎn)生的次數(shù)，如果次數(shù)達(dá)到給定的起始位置數(shù)，則開(kāi)始往噴頭送256次數(shù)，執(zhí)行點(diǎn)火操作。

上面所述為驅(qū)動(dòng)程序的內(nèi)容部分，驅(qū)動(dòng)程序做完以后，還要往系統(tǒng)里添加，把程序放在?Clinux內(nèi)核的/drivers/char文件目錄下，并且在/drivers/char/ mem.c添加驅(qū)動(dòng)程序的init（），以便系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)候執(zhí)行該子程序測(cè)試并且初始化設(shè)備;然后在/drivers/char/Makefile文件中添加編譯信息，在編譯系統(tǒng)內(nèi)核的時(shí)候，會(huì)自動(dòng)編譯所加的驅(qū)動(dòng)程序。最后在系統(tǒng)啟動(dòng)末尾執(zhí)行的批處理文件里加上設(shè)備的mknod命令。這樣，在系統(tǒng)啟動(dòng)以后，在/dev目錄下就可以觀察到你所注冊(cè)的設(shè)備，設(shè)備就可以在用戶程序里進(jìn)行調(diào)用了。

3.控制系統(tǒng)軟件調(diào)試

嵌入式的運(yùn)行環(huán)境是?Clinux，應(yīng)用程序是在這個(gè)環(huán)境下運(yùn)行的。在設(shè)計(jì)軟件的時(shí)候，應(yīng)該考慮到一切意外的情況下，應(yīng)用程序都應(yīng)該有自救的功能。例如，在串口通信的實(shí)現(xiàn)上，和PC機(jī)約定好為16個(gè)字節(jié)，利用read函數(shù)每次讀取一個(gè)字節(jié)，循環(huán)16次度取完所有字節(jié)。但是如果操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序丟失傳送的字節(jié)后，應(yīng)用程序就會(huì)死掉。所以采用對(duì)read（）函數(shù)的屬性進(jìn)行設(shè)置，在2秒鐘的時(shí)間內(nèi)，如果還沒(méi)有字節(jié)輸入，會(huì)自動(dòng)退出。然后向PC機(jī)發(fā)出出錯(cuò)信息，重發(fā)一次。這樣就克服了上述的缺點(diǎn)。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文在Linux的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了光柵檢測(cè)控制的軟件系統(tǒng)。配合噴繪機(jī)硬件設(shè)備，提高了噴繪機(jī)的打印精度。但隨著噴頭技術(shù)的發(fā)展，以及客戶的不斷要求，在一些方面還需要加強(qiáng)。提高嵌入式核心的主頻，以增加數(shù)據(jù)的絕對(duì)處理速度;采用傳輸速率更高的方式如LVDS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;增大系統(tǒng)板的內(nèi)存容量，減小打印過(guò)程中的等待時(shí)間，這樣就可以解除現(xiàn)有噴繪機(jī)打印速度不能顯著提高的瓶頸。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：11273001）。

作者簡(jiǎn)介：張立立（1984—），女，遼寧沈陽(yáng)人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。