linux課程設(shè)計(jì)溫度傳感器

1、江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)課程設(shè)計(jì)專 業(yè)： 電子信息工程 班 級(jí)： 電信121 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 賀佳 設(shè)計(jì)題目：Linux溫度傳感器驅(qū)動(dòng)程序 2015年11月24日姓 名賀佳班 級(jí)電信121學(xué) 號(hào)課設(shè)題目基于嵌入式Linux溫濕度傳感器驅(qū)動(dòng)程序指導(dǎo)教師王蘇敏評(píng)分項(xiàng)目滿分分值得分設(shè)計(jì)文檔（30分）文檔格式封面2頁(yè)面布局4目錄格式3圖表質(zhì)量2頁(yè)眉頁(yè)腳2文檔內(nèi)容內(nèi)容完整性6內(nèi)容邏輯性5內(nèi)容正確性6程序代碼（30分）程序功能15編程規(guī)范7編程文檔8答辯（20分）課題陳述7問(wèn)題答辯10是否超時(shí)3考勤（20分）20總評(píng)成績(jī)指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)簽名： 年 月 日教研室意見(jiàn)簽名： 年 月 日基于嵌

2、入式Linux溫濕度傳感器驅(qū)動(dòng)程序2.需求分析在工業(yè)控制和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中, 傳感器對(duì)于工業(yè)控制和生產(chǎn)環(huán)境的監(jiān)控作用不言而喻。傳統(tǒng)的傳感器監(jiān)控系統(tǒng)大都采用單片機(jī)控制, 其監(jiān)控的準(zhǔn)確度和實(shí)時(shí)性不太令人滿意。本文尋找到一套切實(shí)可行的傳感器設(shè)計(jì)方案,其利用溫濕度傳感器芯片,基于PXA310硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng),能有效監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)溫濕度Linux變化。在周圍環(huán)境發(fā)生變化, 不能滿足工作要求時(shí),可以獲取監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)并提出預(yù)警, 提高生產(chǎn)和工作環(huán)境檢測(cè)的可靠性及實(shí)時(shí)性。溫度設(shè)計(jì)傳感器電路設(shè)計(jì)比較了一些傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)方案后 ，選用SHTl O 芯片為嵌入式溫濕度傳感器的 核心部件。它外圍電路簡(jiǎn) 便，相比其他傳感器芯片（

3、DSl 8820）有其獨(dú)到優(yōu)勢(shì)1。 STHlO 每秒可進(jìn)行 3 次溫濕度測(cè)量 ，數(shù)據(jù)精度 14 bit 并且工作穩(wěn)定。其測(cè)量采用 CMOSens 專利2 ，所以在 測(cè)量效率和精度上要好于 。 采用 單單、線控制方案（ l-wire） ，大約每秒測(cè)量一次，9 位數(shù) 字式溫度數(shù)據(jù)；只提供溫度測(cè)量需求概述SHTlO 是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片 ，提供全量程標(biāo)定數(shù)字輸出 。傳感器包括一個(gè)電窯 性聚合 體濕度敏感元件和一個(gè)用能隙材料制成的溫度 敏感元 件，他們與 個(gè) 14 位 AI D 轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)串行接 口電路設(shè)計(jì)在同一個(gè)芯片上面。其通過(guò)標(biāo)定得到校 準(zhǔn) 系數(shù)以程序形式儲(chǔ)存在芯片 OTP 內(nèi)存中

4、，并利用兩 線制串行接口與 內(nèi)部電壓調(diào)整 ，使外國(guó)系統(tǒng)集成變得 快速而簡(jiǎn)單。其在生產(chǎn)環(huán)境檢測(cè)要 求嚴(yán)格時(shí)，就顯得精度和功能有些不足.SHTl O 芯片 電源 3.3V 。傳感器上 電后，等待 門ms 來(lái)完成 “休眠” 狀態(tài)。通信復(fù)位和啟動(dòng)傳輸命 令后，發(fā)送 組測(cè)量命令（ 表示相對(duì)濕 度 RH, 門 表示溫度 T） ，控制器要等待測(cè) 量結(jié)束。這個(gè)過(guò)程需要大約 ll/5 5 / 210ms ，分別對(duì) 應(yīng) 8/12 /14bit 測(cè)量。SHTlO 通過(guò)下拉 DATA 至低 電平，表示測(cè)量結(jié)束。控制器觸發(fā) SCK 時(shí)鐘前，必須等待這個(gè) “數(shù)據(jù)備妥” 信號(hào)才能將測(cè)量數(shù)據(jù)正確讀 入。 測(cè)量和通訊結(jié)束后 ，

5、SHTlO 自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式。數(shù)據(jù) 傳送采用兩線制串行接 口（與 12（ 接口不兼容）。3.總體設(shè)計(jì)SHTl O 采用 LCC 封裝，其DATA 和 SCK 號(hào) 腳分別連接到 PXA310 的 GP1078 和 GP.氣 79。PXA3 lO通過(guò)模擬時(shí)序方式實(shí)現(xiàn)對(duì)外 國(guó)溫濕度傳感器的控制和 數(shù)據(jù)讀寫操作。由于 SHTl O 對(duì)于溫濕度靈敏度很高 ，在系統(tǒng)集成時(shí)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離發(fā)熱源（如 MCU、LCD 等）， 否則測(cè)量結(jié)果會(huì)有所偏離 ；為 SHTlO 布線時(shí)，周圍應(yīng) 盡量鋪地減少周圍器件對(duì)其 的干擾。SHTlO 電路原理 圖如圖 1 所示。d三KSOP.豆雨雨4”tJV、iF G圖 1 SHTl O

6、 電路原理圖Linux溫濕度傳感器驅(qū)動(dòng)程序 實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制的傳感器設(shè)備中 ，單片機(jī)通常是單線 程運(yùn)行。在進(jìn)行溫濕度測(cè)量時(shí) ，單片機(jī)需要等待測(cè)試 結(jié)果返回，其方法阻礙了其他測(cè)試和操作的罔步執(zhí)行。 在嵌入式 LimX 系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)程序?qū)y(cè)試任務(wù)送入任 務(wù)隊(duì)列，交出CPU 控制權(quán)，繼而進(jìn)行其他實(shí)時(shí)任務(wù)運(yùn) 行，待內(nèi)核空閑再進(jìn)任務(wù)隊(duì)列完成傳感器的測(cè)量 ， 以此提高系統(tǒng)執(zhí)行的效率和實(shí)時(shí)性。Linux 溫濕度傳感器設(shè)備加載 溫濕度傳感器使用Linux 內(nèi)核的 Miscdevice 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)程序初始化時(shí)將設(shè)備注冊(cè)到內(nèi)核 。 Miscdevice 是字符設(shè)備 ，其主設(shè)備號(hào)為 10，設(shè)備及 設(shè)備接口函數(shù)定義

7、如下所示。static struct file_operations shtl O_fops = owner:THIS_MODULE,/ 所 屬 的 設(shè) 備 模塊read: shtl O_ read, /數(shù)據(jù)讀取操作static struct miscdevice my_shtl O =.minor=4, /設(shè)備號(hào)為4 .name=SHTl O /設(shè)備名稱為SHTl O.fops=&shtl O_fops, /設(shè)備可用相關(guān)操作驅(qū)動(dòng)程序加載設(shè)備時(shí)將調(diào)用 內(nèi)核的注冊(cè)函數(shù)。在Linux2.4 和 2.6 內(nèi)核申，幾乎所有 Linux 驅(qū)動(dòng)程序都依靠如下函數(shù)加載模塊.static int init s

8、htl O_init(void)misc_register(&my_shtl O); /注冊(cè)設(shè)備SHTl Oreturn O; /返回成功操作0驅(qū)動(dòng)程序初始化完成后 ，上層應(yīng)用程序可以調(diào)用 shtl O_fops 中的 shtl O_read 函數(shù)進(jìn)行溫濕度的讀 取操作。Linux 溫濕度傳感器設(shè)備操作進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取前，首先要在驅(qū)動(dòng)程序 甲開(kāi)辟 4 個(gè) 字節(jié)的數(shù)據(jù)空間，用于存放溫度和濕度測(cè)量值 。這里 定義全局變量數(shù)據(jù)緩沖區(qū)為 unsigned char bu例。讀取 SHTl O 溫濕度數(shù)據(jù)前 ，需要進(jìn)行端 口初始化 和 SHTlO 復(fù)位操作，然后將任務(wù)送于任務(wù)隊(duì)列 并阻塞 線程SJ ，當(dāng)任務(wù)

9、完成返回后再喚醒線 程，將讀到數(shù)據(jù) 傳遞給上層應(yīng)用程序做進(jìn)一步處理 。程序流程圖和實(shí) 現(xiàn)函數(shù)如圖 2 所示。 進(jìn)入任務(wù)隊(duì)列完成傳 感器測(cè)量，喚醒線程 內(nèi)核空間數(shù)據(jù)送往用戶空間處理 圖 2驅(qū)動(dòng)程序流程圖static int measure_ shtl O(u8 checksum,u8 mode)unsigned char error=O; 設(shè)備無(wú)應(yīng)答 ，標(biāo)識(shí)清 Oint i=O; 用來(lái)指示數(shù)據(jù)存放位置start_trans(); 模擬時(shí)序，啟動(dòng)傳輸switch(mode) 選擇 測(cè) 量 方式case TEMP:error+ =write_ byte(MEASURE_ TEMP);i= l;bre

10、ak; 測(cè)量溫度 ，指示存放位置caseHUMl:error+=wite_byte(MEASURE_ HUMI);break; 測(cè)量濕度while() 等待 SHTlO 應(yīng)答 ，退出if(read_data0=0) break;if(i) 查看 i，存放數(shù)據(jù)bufO=read_byte(ACK); 將測(cè)量溫度數(shù)據(jù) 存放于bufl =read_byte(ACK); / /bufO和 buf1,并應(yīng)答elsebuf2=read_byte(ACK); 將測(cè)量濕度數(shù)據(jù) 存放于buf3=read_byte(ACK); / / buf2矛日 buf3并應(yīng)答 最后讀效驗(yàn) ，無(wú)應(yīng)答checksum= read

11、_byte(noACK);return error; 返回錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)上 述函數(shù)中 start_trans; write_byte; read_data;read_byte 分別利用 PXA310 sl腳模擬時(shí)序 完成啟動(dòng)傳輸、寫字節(jié)，讀一位數(shù)據(jù)和讀字節(jié)的操作。staticssize_tsht lO_read(structfile吁ile,char *buffer,size_t count,loff_t *ppos）porUnit(); 初始化 PXA310 端口reset_sht100; 復(fù)位 SHTl Otasklet_schedule(&shtl O_tasklet); 將任務(wù)送于任務(wù)隊(duì)列w

12、ait_for_completion(&comp); 阻塞線程 ，等待完成copy_to_user(buffer, (char *)&buf,sizeof(buf); 將讀到的數(shù)據(jù)返 回用戶return O; 空間，退出內(nèi) 核 tasklet_sched ule（） 調(diào) 度 執(zhí) 行 指 定 的tasklet ，在獲得運(yùn)行機(jī)會(huì)之前 只會(huì)調(diào)度一次 ，如果在 運(yùn) 行 時(shí)被 調(diào) 度 ，則 完 成 后 會(huì) 被 再 次 運(yùn) 行 6) 0 wait_for_completion （）這個(gè)函數(shù)進(jìn)行個(gè)不可打斷 的等待，如果有代碼調(diào)用它 ，并且沒(méi)有完成這個(gè)任務(wù) ， 結(jié)果會(huì)是一個(gè)不可殺死的進(jìn)程 。copy_to_u

13、ser （）將內(nèi) 核空間數(shù)據(jù)傳向上層用戶空間 ，并讓上層測(cè)試程序做 進(jìn)一步處理。 Linux 溫濕度傳感器設(shè)備阻塞操作 由于溫濕度傳感器測(cè)量需要一 定時(shí)間 ，為提高系統(tǒng)運(yùn)行效率和實(shí)時(shí)性 ，在驅(qū)動(dòng)程序中阻塞線程 ，交出 內(nèi)核控制權(quán) ，等待操作完成后喚醒線程 ，提高系統(tǒng)利 用率。complete（）在函數(shù)申就是喚醒一個(gè)等待 的讀取 線程。任務(wù)隊(duì)列實(shí)現(xiàn)函數(shù)如下所示 。static int shtl O_dotasklet(void)unsigned int eror=O; 無(wú)應(yīng)答 ，標(biāo)識(shí)清 O unsigned char checksum=O; 效驗(yàn)清 O error+=measure_shtl O

14、(checksum,TEMP);error+=measure_shtl O(checksum, HUMI); complete(&comp); 完成測(cè)量，喚醒線程if(error! =0) 測(cè)量有誤 ，提示 printk（”wrong in 1easureerror=%dn”，error);elseprintk（”data correct!n”）； 測(cè)量無(wú)誤輸出提示return error; 返回錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)Tasklet 可以使測(cè)量操作在系統(tǒng)負(fù)荷不重時(shí)被調(diào)用，或是被立即執(zhí)行，但始終不會(huì)晚于下一個(gè) CPU clock。 Tasklet 始終在中斷期間運(yùn)行 ，并且在調(diào)度他的同 CPU 上運(yùn)行。對(duì)比單

15、片機(jī)系統(tǒng)，在單線程情況下，一般在 shtl O_read（）中調(diào)用 2 次 measure_shtl 0（）來(lái)等 待測(cè)量完成 ，測(cè)量效率依賴 2 次測(cè)量消耗的時(shí)間；但在Linux 驅(qū)動(dòng)程序中，使用 Tasklet 方式操作，2 次測(cè)量過(guò)程不會(huì)對(duì)其他線程產(chǎn)生影響，在有其他實(shí)時(shí)事件需要 及時(shí)處理時(shí)（如網(wǎng)絡(luò)，視頻），可以更有效提高驅(qū)動(dòng)運(yùn)行效率，降低對(duì)其他實(shí)時(shí)處理產(chǎn)生的影響。溫濕度傳感器測(cè)試途徑與效率驗(yàn)證 在測(cè)試程序中 ，考慮上述測(cè)量環(huán)境下溫濕度之間的非線性，調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序 的 shtl O_read 函數(shù)將讀到 的溫濕度數(shù)據(jù)返回上層測(cè)試程序進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算 ，將 計(jì)算值通過(guò)串 口輸出，達(dá)到測(cè)試驗(yàn)證的 目

16、的。測(cè)試程 序的實(shí)現(xiàn)如下所示 。static void calc_sht l O(float*temp)float rh =*h u mi: float t=*tem p; float rh _l ine float rh_truet=t*d 2 +d l ; /溫度轉(zhuǎn)換公式rh _li ne=C3*rh*rh +C2*rh +Cl ; /相對(duì)濕度轉(zhuǎn) 換公式rh_t rue =(t甲2 5)*(t l +t2*rh)+ rh_l ine /相對(duì)濕度溫度補(bǔ)償 if(rh_true 1OO)rh_tru e= l 00; /超出范圍 if(rh_trueO. l )rh_true=0.1 ;pri

17、ntf （” Hu mid ityis: %.2 RH n,rh _true); pri ntf（”Tem peratu re is: %.2f C n”，t);i nt mai n(i nt argc, char *argv) /主函數(shù)i nt fd;float tem p, h u mi; /溫濕度數(shù)據(jù)char buffer4; /數(shù)據(jù)緩沖fd = open（” /dev/ sht l O, O);/打開(kāi)文件if (fd 0) /打開(kāi)失敗 ，退出perror（pen device / dev/ sht l O); exit( l );read(fd,buffer,sizeof(buffer

18、); /讀取 溫 濕 度值tem p=(float)(bufferO 8)1 bufferl ); h u mi =(float)(buffer2 %dn”，error);elseprintk（”data correct!n”）； 測(cè)量無(wú)誤輸出提示return error; 返回錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)static void calc_sht l O(float*temp)float rh =*h u mi: float t=*tem p; float rh _l ine float rh_truet=t*d 2 +d l ; /溫度轉(zhuǎn)換公式rh _li ne=C3*rh*rh +C2*rh +Cl ; /相對(duì)濕度轉(zhuǎn) 換公式rh_t rue =(t甲2 5)*(t l +t2*rh)+ rh_l ine /相對(duì)濕度溫度補(bǔ)償 if(rh_true 1OO)rh_tru e= l 00; /超出范圍 if(rh_trueO. l )rh_true=0.1 ;printf （” Hu mid ityis: %.2 RH n,rh _true); pri ntf（”Tem peratu re is: %.2f C n”，t);i nt mai n(i nt argc, char *argv) /主函數(shù)i nt fd;float tem p, h u mi; /溫濕度數(shù)據(jù)ch