基于ARM-Linux的数据采集和网络传输系统设计

8片MAX1308由两片Altera公司的Cyclone II系列FPGA芯片控制，每片FPGA内部分为两个模块，一个为AD转换控制模块，另一个为FIFO存储模块。最终两个FIFO存储器分别挂在S3C2440芯片的BANK3和BANK5上，通过数据总线，ARM处理器可以读取FIFO内的数据。ARM与FPGA(FIFO)接口电路如图4所示。

其中的FIFO由Quartus II提供的IP核手动配置，自动生成。FIFO的输出通过一组三态门与ARM的数据总线相连，三态门的EN端分别由nGC S3和nGCS5控制，同时nGCS3和nGCS5通过反相器分别与两个FIFO的rdreq端相连，这样ARM通过这两个片选信号可同时打开FIFO的输出通道以及读使能信号rdreq。nOE信号通过反相器分别与两个FIFO的rdclk端相连，来提供FIFO的读时钟信号。

3 软件设计

3.1 AD控制部分

MAX1308采用内部时钟的采样时序图如下图5所示。其中双向并行接口DO～D7用来设置8位配置寄存器，以激活和禁止相应的采样通道。内部时钟模式下，启动一次转换，需在采样时间(tACQ)内将CONVST置为低电平，此时T/H捕获信号，在CONVST上升沿转换开始。一旦能够读取转换结果，转换结束信号()将给出一个低电平脉冲。当最后一个通道的转换结果可以被读取时，最后转换结束信号()跳变到低电平。

FPGA内部按照上述时序逻辑实现采集模块后，再连接到FIFO模块上，然后通过一组三态门挂接到ARM数据总线上。

3.2 Linux设备驱动

设备驱动程序在Linux内核中扮演着特殊的角色，它使某个特定硬件响应一个定义良好的内部编程接口，这些接口完全隐藏了设备的工作细节。用户的操作通过一组标准化的调用执行，而这些调用独立于特定的驱动程序。将这些调用映射到作用于实际硬件的设备特有操作上，则是设备驱动程序的任务。

3.2.1 FIFO设备驱动

用户空间驱动程序具有很多优点，比如可以和整个C库连接，可以使用通常的调试器调试驱动程序代码，而不用费力地调试正在运行的内核等。

该驱动程序是通过mmap函数将外设FIFO存储器映射到用户空间的一段内存中，进而对其进行操作。映射一个设备意味着将用户空间的一段内存与设备内存关联起来。mmap函数定义如下：

#include

void*mmap(void*addr，size_t len，int prot，int flag，int filedes，off_t off);

此函数将在进程的虚拟地址空间(地址起始为addr，长度为len字节)和与文件描述符fd关联的文件(偏移量为off，长度为len字节)之间建立映射。映射后系统对设备的读写操作就等同于对用户内存的读写。

程序中需要对S3C2440的存储器控制寄存器进行配置，主要是BANKCON3、BANKCON5和BWSCON 3个寄存器，使BANK3和BANK5数据总线宽度为16位，WAIT等待信号无效，合理配置读写信号周期。这些同样是通过存储映射的方式实现。

3.2.2 DM9000网络设备驱动

Linux 2.6.30.4内核中的网卡驱动相当完善，其中包含DM9000的驱动，所以随着内核的移植，该驱动就可以直接使用了。

3.3 Socket网络应用程序

Linux OS之所以得到广泛应用的一个主要原因是其卓越的网络应用。Socket是一种实现网络不同主机进程间通信的一种机制。

为了数据的可靠传输，我们选择基于面向连接的TCP通信协议进行应用层的开发，面向连接的Socket通信流程如图7所示。

众所周知，使用多进程的服务器模型有利于程序的健壮性。下位机作为服务器端，设置listen()侦听客户端的连接请求，针对每个Soc ket连接请求，利用fork()函数产生一个子进程处理到来的连接，在子进程中完成客户指令的接收与判断、数据的处理与发送等，并关闭服务器侦听，在父进程中关闭客户端的连接，采用多进程思想，解决多客户端问题。上位机应用程序为字符界面，将接收到的数据以文件的形式保持起来。

4 系统测试实验

用SG1110数字合成信号发生器给采集板输入一个频率为4 kHz，峰峰值为8.6 V的正弦波信号，如图8(a)所示，在单通道采集的模式下将采集的一段数据传送给网络上的客户端，并将此数据用MATLAB程序画图如图8(b)所示。

由上图可以看出，还原后的图像为一正弦波，每个周期的采样点数约为160个，采样频率接近640 kHz，符合预期结果。

5 结论

嵌入式远程数据采集系统是一种新的将分散信息集中处理的有效方法，对工业控制的数据集中处理、环境监控等有非常重要的应用价值。该系统的创新点是在用户空间实现了FIFO设备驱动，最大的特点是实现了多达64通道的模拟数据采集，实现了多数据源采集的要求。系统的便携化程度高，实用性和智能性强，潜在的经济效益巨大。