田志強 喬 瑩 劉軍卿 原瑞宏 于 鑫

(1.武漢軍械士官學校槍械系 武漢 430075) (2.國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心 蘇州 215000)

ARM11嵌入式系統(tǒng)實時網(wǎng)絡通信和PWM波輸出控制的實現(xiàn)*

田志強1喬 瑩2劉軍卿1原瑞宏1于 鑫1

(1.武漢軍械士官學校槍械系 武漢 430075) (2.國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心 蘇州 215000)

通過對ARM11嵌入式系統(tǒng)Linux下的實時網(wǎng)絡通信和PWM波輸出控制進行研究,分析了網(wǎng)絡通信協(xié)議和PWM波的驅動方式。在ARM11嵌入式系統(tǒng)下設計了PWM波控制程序,并實現(xiàn)網(wǎng)絡終端服務器和客戶端雙進程的工作模式,解決了網(wǎng)絡通信實時性和可靠性的問題,以及雙線程工作模式數(shù)據(jù)交互沖突的問題。實際應用表明：該方式網(wǎng)絡通信實時性強可靠性好,ARM11和計算機的資源利用率高,可遠程靈活控制PWM波的輸出。

ARM11; 實時網(wǎng)絡通信; 雙進程; PWM波

Class Number TN27；TP399

1 引言

ARM11主頻為533MHz～667MHz,與ARM7相比主頻提高了十倍,擁有更豐富的片上資源,處理速度更快,功能更強[1]。而且ARM11嵌入式系統(tǒng)具有強大的網(wǎng)絡通信能力,因此ARM11可完全適應實時性較強、功能較為復雜的網(wǎng)絡終端的設計。嵌入式操作系統(tǒng)上可以采用比較成熟的Linux操作系統(tǒng),Linux是一款開源、內核可自行裁剪和重新配置的操作系統(tǒng),自1994年Linux1.0誕生以來,Linux的發(fā)展速度非?？靃2～3],該操作系統(tǒng)擁有大小可裁減、移植性強、運行速度高、網(wǎng)絡性能好等優(yōu)點,ARM11與Linux操作系統(tǒng)的結合能夠充分發(fā)揮ARM11的效能,滿足要求較高的系統(tǒng)設計[4～5]。本文針對嵌入式系統(tǒng)終端以網(wǎng)絡通信為基礎的遠程控制的實現(xiàn)進行研究,以運程控制PWM波的輸出為例,以ARM11處理器S3C6410為平臺,基于Linux操作系統(tǒng)設計了PWM波輸出的驅動程序,并采用TCP/IP協(xié)議設計了一種同時做客戶端和服務器的雙進程工作模式,實現(xiàn)了實時網(wǎng)絡通信和PWM波輸出的遠程控制。

2 ARM11嵌入式終端實時網(wǎng)絡通信 特性分析

2.1 系統(tǒng)功能需求分析

ARM11嵌入式系統(tǒng)一個非常突出的特點就是具有強大的網(wǎng)絡通信能力,可以實現(xiàn)網(wǎng)絡的遠場控制,在計算機與ARM11通信的系統(tǒng)中,計算機的處理速度和能力都比ARM11強,如果將數(shù)據(jù)處理等工作量大的任務分配給計算機去處理,則可大大減少ARM11的資源消耗,ARM11就可以更快地去響應其它操作,因此ARM11可以將要處理的數(shù)據(jù)交給計算機,計算機則按照ARM11數(shù)據(jù)要求處理好數(shù)據(jù)后通過網(wǎng)絡下傳到ARM11控制模塊當中。以網(wǎng)絡控制PWM波為例,ARM11控制模塊要向計算機傳輸相關設備工作狀態(tài)信息,計算機則要向網(wǎng)絡終端傳輸PWM波的開關、頻率和占空比的設置控制命令。

2.2 網(wǎng)絡通信協(xié)議選擇

網(wǎng)絡通信必然涉及到通信協(xié)議的問題,目前普遍采用的網(wǎng)絡協(xié)議主要有UDP協(xié)議和TCP/IP協(xié)議[6]。在實時性要求較高的網(wǎng)絡通信中一般要求實時收發(fā)。兩個協(xié)議中UDP由于無需建立連接綁定,因此比較符合實時性這個要求,但是它不能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?即當數(shù)據(jù)較多,傳輸速度較快時會發(fā)生嚴重的丟包現(xiàn)象,尤其對數(shù)據(jù)較大而且傳輸頻繁的數(shù)據(jù),在某些可靠性要求較高的系統(tǒng)中數(shù)據(jù)丟失是不能被接受的。相比之下TCP/IP協(xié)議在通信前先要建立連接進行綁定,這樣更能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行浴?/p>

采用TCP/IP協(xié)議的ARM11嵌入式終端如果是僅僅作為服務器或者客戶端的工作模式是不能做到即時收發(fā)的,以作為服務器為例：當接收完計算機的數(shù)據(jù)后,如果計算機斷開了連接,那么網(wǎng)絡終端再想向計算機發(fā)送數(shù)據(jù),就必須等到計算機再次作為客戶端向終端發(fā)起連接才能重新建立連接,這樣嵌入式終端就比較被動,不能即時發(fā)送數(shù)據(jù)。為了解決TCP/IP協(xié)議的這種問題,參考文獻[7]中設計了網(wǎng)絡終端和計算機既做客戶端又做服務器的雙線程工作模式,在這種工作模式下終端和計算機隨時能發(fā)起和斷開連接能做到即時收發(fā),但是這種工作方式存在一個非常大的缺陷：在兩線程間數(shù)據(jù)通信時,兩個線程可能同時讀寫同一塊存儲區(qū)域時會發(fā)生沖突而導致程序運行出錯。為了解決這一問題,本文提出了既做客戶端又做服務器的雙進程工作模式,兩個進程間的數(shù)據(jù)交互可以通過管道進行通信,通過對管道的讀寫可以避免讀寫沖突的發(fā)生。

3 PWM波驅動設計

PWM波是占空比可控、頻率可控的方波,可以作為測試信號或者控制信號。為了達到占空比可控和頻率可控在驅動程序中必須設置修改占空比接口和修改頻率接口,以及關閉PWM的接口。PWM驅動程序的結構如圖1所示,述驅動程序主要包含三部分：設置頻率函數(shù)、設置占空比函數(shù)、開關PWM輸出函數(shù)。

圖1 PWM驅動的程序結構

對于S3C6410平臺PWM波的輸出是專門的管腳GPF14和15,GPF14和15的控制寄存器S3C64XX_GPFCON的29、28和31、30位,若對應的控制寄存器兩位為10則該IO口就作為PWM輸出。開啟PWM時就將相應的控制寄存器設置為10,表達式為

tmp |= (0x2U << 28)；

writel(tmp, S3C64XX_GPFCON)；

關閉PWM就將其GPF14的控制寄存器設置為00。

設置頻率和設置占空比就是對PWM的專用控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器進行設置,兩個定時器結構寄存器TCFG0和TCFG1共同設置輸入定時器的時鐘頻率,TCFG0的低八位是定時器0和定時器1對PWM波時鐘PCLK的預分頻數(shù),用P表示,TCFG1的低四位是對定時器0的時鐘分頻器,可以做1/1、1/2、1/4、1/8、1/16分頻,對應的分頻數(shù)記為d(值為1、2、4、8、16),那么設置好定時器0的這兩個寄存器后,輸入定時器0的時鐘頻率為

(1)

與PWM波頻率和占空比直接相關的兩個寄存器,一個是TCNTB0定時器0的計數(shù)寄存器(假設其值設為Tn),一個是TCMPB0定時器0的比較寄存器(假設其值設為Tc)?，F(xiàn)定義PWM波的輸出頻率為f,占空比為S,那么它們的計算表達式如下：

(2)

(3)

最后設置定時器的控制寄存器TCON,它是定時器0～4的控制寄存器,其低四位對應的是定時器0,功能如表1所示[8]。

表1 定時器0的控制寄存器

完成上述三個主要功能函數(shù)后,寫好系統(tǒng)調用結構體就完成了PWM波的驅動程序。

4 網(wǎng)絡通信和遠程控制PWM波輸出的程序設計

在網(wǎng)絡通信和遠程控制PWM波輸出的程序設計上,從數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院途W(wǎng)絡系統(tǒng)工作的實時性角度出發(fā),本文擬采用TCP/IP協(xié)議設計服務器和客戶端雙進程工作模式,PWM波的頻率和占空比等數(shù)據(jù)由計算機處理好后發(fā)送給ARM11客戶端來實現(xiàn)。程序設計的流程圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡通信和控制PWM波輸出流程圖

軟件首先通過使用fork()語句[9～10]創(chuàng)建服務器進程和客戶端進程,并利用pipe()語句建立一個進程間數(shù)據(jù)通信管道。當進程建立后ARM11網(wǎng)絡終端兩個進程同時運行：服務器進程將一直等待客戶端發(fā)起連接,當客戶端有數(shù)據(jù)要發(fā)送時,只需發(fā)起連接便能建立網(wǎng)絡連接,接收到客戶端數(shù)據(jù)后先進行解碼然后用于控制PWM波輸出或者其它處理,處理完成后關閉連接然后回到等待客戶端連接；客戶端進程則一直掃描終端狀態(tài)和從服務器進程中獲取信息的狀態(tài),一旦有數(shù)據(jù)需要發(fā)送給服務器就馬上發(fā)起連接,并發(fā)送數(shù)據(jù),待數(shù)據(jù)發(fā)送完成后繼續(xù)掃描。

以服務器進程為例,其核心代碼如下：

………

void *server_function() //服務器線程

{

……

server=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

bind(server,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local));

listen(server,10);

while(1)

{

client=accept(server,(struct sockaddr*)&from,&fromlen);//等待連接

t= recv(client,buffer,sizeof(buffer),0);//接收數(shù)據(jù)

recvPktProcess(t);//處理數(shù)據(jù)函數(shù)

close( client);

}

}

5 系統(tǒng)運行效果分析

在系統(tǒng)中網(wǎng)絡終端和計算機的服務器進程一直處于工作狀態(tài),這樣就保證了任何一端隨時能作為客戶端發(fā)起連接并連接成功,換個角度任何一端也能夠隨時收到客戶端發(fā)送過來的數(shù)據(jù),這樣就實現(xiàn)了即時收發(fā),達到了實時網(wǎng)絡通信的實時性要求。

ARM11嵌入式終端上將較為復雜的數(shù)據(jù)處理通過網(wǎng)絡交由計算機處理,計算機再將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給嵌入式終端,大大減少ARM11的處理資源消耗,使得響應按鍵、開關等的速度更為迅速。PWM波頻率和占空比的遠程控制也較為容易的得以實現(xiàn),PWM波輸出波形如圖3所示。

(a)5KHz的PWM方波顯示照片

(b)占空比為1∶3的PWM方波圖3 網(wǎng)絡通信和控制PWM波輸出波形

從圖3可以看出PWM波頻率和占空比都得到了控制,達到了設計目的。

6 結語

本文利用ARM11嵌入式系統(tǒng)以其體積小、處理速度快、功能強,能夠滿足實時性要求較高的網(wǎng)絡組網(wǎng)和網(wǎng)絡通信的特點,通過設計TCP/IP協(xié)議服務器客戶端雙進程工作模式的網(wǎng)絡通信程序和PWM波的驅動程序,實現(xiàn)了可靠的實時網(wǎng)絡通信和PWM波輸出的遠程控制,充分利用了計算機和ARM11的資源。同時該設計具有將強的移植性和擴展性,可應用到其它網(wǎng)絡終端的工作,對ARM11嵌入式系統(tǒng)的應用具有借鑒意義,進一步開拓了嵌入式系統(tǒng)的應用前景。

[1] mini6410用戶手冊-20100814[S].廣州友善之比計算機科技有限公司,2010:11-12.

[2] 羅宇,陳燕暉,文艷軍.Linux操作系統(tǒng)實驗教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009:1-7.

[3] 楊樹青,王歡.Linux環(huán)境下C編程指南[M].北京:清華大學出版社,2007:18-20.

[4] 宮虎波.Linux編程從入門到精通[M].北京:化學工業(yè)出版,2009:214-219.

[5] 董小喜,薛立勤,王功翠.Linux驅動開發(fā)研究[J].電腦知識與技術,2011,7(3):560-563.

[6] 張思民.嵌入式系統(tǒng)設計與應用[M].北京:清華大學出版社,2008:128-130.

[7] 張伽偉,周安棟,羅勇.ARM11嵌入式系統(tǒng)Linux下LCD的驅動設計[J].液晶與顯示,2011,26(5):660-664.

[8] 張伽偉.ARM11嵌入式系統(tǒng)在通信裝備狀態(tài)監(jiān)測中的應用[D].武漢:海軍工程大學,2012.

[9] 孫欣賀,王曉輝,于月森.一種嵌入式linux操作系統(tǒng)的構建方法[J].工業(yè)控制計算機,2011,24(1):69-71.

[10] 鐘誠,盧衛(wèi)恒,李德勇.Linux進程調度分析[J].電腦知識與技術,2011,7(1):70-71.

Real-Time Networks Communication and PWM Wave Control Based on ARM11 Embeded System

TIAN Zhiqiang1QIAO Ying2LIU Junqing1YUAN Ruihong1YU Xin1

(1. Department of Firearm, Wuhan Ordnance Noncommissioned Officers Academy, Wuhan 430075) (2. Patent Examination Cooperation Jiangsu Center of Patent Office, SIPO, Suzhou 215000)

Based on research about the real-time network communication and the control of PWM wave in Linux based on ARM11 embedded system, this paper analyzed the network communication protocol and PWM driver. A work model of double process of both server and client was designed to meet the requirements of real-time and reliability of network communication and avoid the problem of date interactive of double thread work model. The application indicated that using this method had advantages of real-time and reliability, the utilization of ARM11 and computer was considerable, and the PWM wave was easily controlled.

ARM11, real-time network, double process, PWM wave

2014年6月7日,

2014年7月20日

田志強,男,博士,講師,研究方向:步兵武器性能檢測與維修。喬瑩,女,碩士,研究方向:信號處理。劉軍卿,男,碩士,副教授,研究方向:步兵武器性能檢測與維修。原瑞宏,男,碩士,講師,研究方向:步兵武器性能檢測與維修。于鑫,男,講師,研究方向:步兵武器性能檢測與維修。

TN27；TP399

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.020