摘要：在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，需要測(cè)量周圍環(huán)境的質(zhì)量對(duì)生產(chǎn)和工作進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)警。通過(guò)比較設(shè)計(jì)方案，提出在嵌入式Linux下，基于PXA310平臺(tái)溫濕度傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。在Linux操作系統(tǒng)下通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)程序接口調(diào)用，完成溫濕度數(shù)據(jù)讀取和預(yù)警，并對(duì)Linux驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)表明，本方案硬件和軟件設(shè)計(jì)切實(shí)可行，提高了環(huán)境測(cè)量的準(zhǔn)確度和系統(tǒng)性能的實(shí)時(shí)性。
　　
　　1、引言
　　
　　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Linux操作系統(tǒng)，能有效監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)溫濕度變化。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。
　　
　　2、溫濕度傳感器電路設(shè)計(jì)
　　
　　比較了一些傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)方案后，選用SHT10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（DS18B20）有其獨(dú)到優(yōu)勢(shì)。
　　
　　STH10每秒可進(jìn)行3次溫濕度測(cè)量，數(shù)據(jù)精度14bit并且工作穩(wěn)定。其測(cè)量采用CMOSens，所以在測(cè)量效率和精度上要好于DS18B20.DS18B20采用單總線控制方案（1-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。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。
　　
　　2.1sht10簡(jiǎn)介
　　
　　SHT10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)電容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，他們與一個(gè)14位A/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，并利用兩線制串行接口與內(nèi)部電壓調(diào)整，使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡(jiǎn)單。
　　
　　2.2SHT10工作原理
　　
　　SHT10芯片電源3.3V.傳感器上電后，等待11ms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)送一組測(cè)量命令（'00000101'表示相對(duì)濕度RH,'00000011'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11/55/210ms,分別對(duì)應(yīng)8/12/14bit測(cè)量。SHT10通過(guò)下拉DATA至低電平，表示測(cè)量結(jié)束?？刂破饔|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，SHT10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I2C接口不兼容）。
　　
　　2.3SHT10電路原理圖
　　
　　SHT10采用LCC封裝，其DATA和SCK引腳分別連接到PXA310的GPIO78和GPIO79.PXA310通過(guò)模擬時(shí)序方式實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍溫濕度傳感器的控制和數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作。由于SHT10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SHT10布線時(shí)，周圍應(yīng)盡量鋪地減少周圍器件對(duì)其的干擾。SHT10電路原理圖如圖1所示。　　　　
　　3、Linux溫濕度傳感器驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(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)試和操作的同步執(zhí)行。
　　
　　在嵌入式Linux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)入任務(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。
　　
　　3.1Linux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)定義如下所示。　　
　　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)核中，幾乎所有Linux驅(qū)動(dòng)程序都依靠如下函數(shù)加載模塊。
　　
　　驅(qū)動(dòng)程序初始化完成后，上層應(yīng)用程序可以調(diào)用sht10_fops中的sht10_read函數(shù)進(jìn)行溫濕度的讀取操作。
　　
　　3.2Linux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)程序中開(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unsignedcharbuf[4].
　　
　　讀取SHT10溫濕度數(shù)據(jù)前，需要進(jìn)行端口初始化和SHT10復(fù)位操作，然后將任務(wù)送于任務(wù)隊(duì)列并阻塞線程，當(dāng)任務(wù)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。　　　　　　上述函數(shù)中start_trans;write_byte;read_data;read_byte分別利用PXA310引腳模擬時(shí)序完成啟動(dòng)傳輸、寫(xiě)字節(jié)，讀一位數(shù)據(jù)和讀字節(jié)的操作。　　
　　內(nèi)核tasklet_schedule（）調(diào)度執(zhí)行的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。
　　
　　wait_for_completion（）這個(gè)函數(shù)進(jìn)行一個(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_user（）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。
　　
　　3.3Linux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)中就是喚醒一個(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。　　
　　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)CPUclock.
　　
　　Tasklet始終在中斷期間運(yùn)行，并且在調(diào)度他的同一CPU上運(yùn)行。對(duì)比單片機(jī)系統(tǒng)，在單線程情況下，一般在sht10_read（）中調(diào)用2次measure_sht10（）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。
　　
　　4、溫濕度傳感器測(cè)試與驗(yàn)證
　　
　　驅(qū)動(dòng)程序完成以后，需要相應(yīng)測(cè)試程序驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)的正確性。由于驅(qū)動(dòng)程序中不能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，所以測(cè)試程序必須將驅(qū)動(dòng)程序傳遞來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算才能得到相應(yīng)的溫濕度值。
　　
　　4.1溫濕度傳感器測(cè)試環(huán)境
　　
　　在實(shí)驗(yàn)室常溫下，測(cè)試程序多次調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序中讀溫濕度的函數(shù)接口獲得測(cè)試數(shù)據(jù)，來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確和可靠。并考慮實(shí)驗(yàn)室內(nèi)常溫下，相對(duì)濕度與溫度具有非線性關(guān)系，計(jì)算濕度值時(shí)需要考慮溫度的補(bǔ)償關(guān)系，其關(guān)系如圖3所示。　　　　
　　為補(bǔ)償濕度傳感器的非線性以獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，并考慮實(shí)際溫度與測(cè)試參考溫度（25℃）不同，使用如下公式修正讀數(shù)。　　
　　RHlinear是溫度修正系數(shù)，RHtrue是相對(duì)濕度，SORH是傳感器返回的濕度值。進(jìn)行12bit濕度檢測(cè)時(shí)，參數(shù)取值如下表所示。
　　
　　表1濕度轉(zhuǎn)換系數(shù)與溫度補(bǔ)償系數(shù)　　
　　由于能隙材料研發(fā)的溫度傳感器具有*線性，14bit溫度值參考如下公式。
　　
　　Temperature=d1+d2xSOT
　　
　　溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)取值如下表所示，SOT是傳感器返回的溫度值。
　　　　
　　利用上述溫濕度轉(zhuǎn)換公式和系數(shù)可以得出溫濕度測(cè)量值。
　　
　　4.2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sht10_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)證的目的。測(cè)試程序的實(shí)現(xiàn)如下所示。
　　
　　staticvoidcalc_sht10（float*humi,float*temp）
　　
　　{
　　
　　floatrh=*humi;
　　
　　floatt=*temp;
　　
　　floatrh_line;
　　
　　floatrh_true;
　　
　　t=t*d2+d1;//溫度轉(zhuǎn)換公式
　　
　　rh_line=C3*rh*rh+C2*rh+C1;//相對(duì)濕度轉(zhuǎn)換公式
　　
　　rh_true=（t-25）*（t1+t2*rh）+rh_line;
　　
　　//相對(duì)濕度溫度補(bǔ)償
　　
　　if（rh_true>100）rh_true=100;//超出范圍
　　
　　if（rh_true<0.1）rh_true=0.1;
　　
　　printf（"Humidityis:%.2f%RHn",rh_true）;
　　
　　printf（"Temperatureis:%.2f'Cn",t）;
　　
　　}
　　
　　intmain（intargc,char*argv[]）//主函數(shù)
　　
　　{
　　
　　intfd;
　　
　　floattemp,humi;//溫濕度數(shù)據(jù)
　　
　　charbuffer[4];//數(shù)據(jù)緩沖
　　
　　fd=open（"/dev/sht10",0）;//打開(kāi)文件
　　
　　if（fd<0）{//打開(kāi)失敗，退出
　　
　　perror（"opendevice/dev/sht10"）;
　　
　　exit（1）;
　　
　　}
　　
　　read（fd,buffer,sizeof（buffer））;//讀取溫濕度值
　　
　　temp=（float）（（buffer[0]《8）|buffer[1]）;
　　
　　humi=（float）（（buffer[2]《8）|buffer[3]）;
　　
　　calc_sht10（&humi,&temp）;//溫濕度數(shù)值轉(zhuǎn)換
　　
　　close（fd）;//關(guān)閉文件
　　
　　return0;//退出
　　
　　}
　　
　　測(cè)試完成后，考察驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行效率，即在驅(qū)動(dòng)程序的tasklet_schedule和copy_to_user前分別對(duì)PXA310的OSCR時(shí)間計(jì)數(shù)寄存器進(jìn)行時(shí)間讀取，計(jì)算此次溫濕度測(cè)量所用時(shí)間。計(jì)算公式如下所示。
　　
　　Time=（OSCR2-OSCR1）/OSCR_FREQ
　　
　　OSCR2是喚醒線程后的時(shí)間，OSCR1是進(jìn)入任務(wù)隊(duì)列前的時(shí)間。OSCR_FREQ是PXA310內(nèi)部時(shí)鐘頻率3.25MHz.這樣就可以計(jì)算出每次溫濕度讀取消耗的時(shí)間，以此對(duì)比SHT10開(kāi)發(fā)文檔中理論測(cè)量時(shí)間值，確定實(shí)際驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行的效率。
　　
　　5、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
　　
　　超級(jí)終端中插入驅(qū)動(dòng)模塊，運(yùn)行測(cè)試程序，可以在終端上看到測(cè)試結(jié)果（如圖4）。　　　　
　　系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)后，利用上述Time計(jì)算公式計(jì)算驅(qū)動(dòng)程序中溫濕度測(cè)量消耗的時(shí)間，實(shí)際測(cè)試結(jié)果如表3所示。
　　　　
　　上表的測(cè)試結(jié)果不僅和傳感器的響應(yīng)速度有關(guān)，而且還與系統(tǒng)中其他運(yùn)行的線程有關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)中有高一級(jí)任務(wù)到來(lái)或其他實(shí)時(shí)事件需要處理時(shí)，實(shí)際測(cè)量時(shí)間會(huì)大于上表中的測(cè)量時(shí)間，并且隨著任務(wù)的增加測(cè)量時(shí)間也會(huì)相應(yīng)的增加，完成的時(shí)間也受到外界中斷的影響。內(nèi)核會(huì)在任務(wù)不繁忙時(shí)完成測(cè)量操作。上表測(cè)試結(jié)果并未受到系統(tǒng)中其他驅(qū)動(dòng)程序和中斷的影響。對(duì)比開(kāi)發(fā)手冊(cè)中理論測(cè)量時(shí)間可以看到，使用任務(wù)隊(duì)列的方法對(duì)改善系統(tǒng)處理能力與實(shí)時(shí)性效果明顯。
　　
　　此外，實(shí)現(xiàn)溫濕度傳感器驅(qū)動(dòng)程序還需要清楚了解SHT10讀寫(xiě)時(shí)序，讀取溫度和濕度所需要的時(shí)間不同。如果應(yīng)用程序中得出的溫濕度值超過(guò)預(yù)期值，就可以打開(kāi)GPIO驅(qū)動(dòng)模塊，觸發(fā)系統(tǒng)板上的蜂鳴器達(dá)到預(yù)警效果。
　　
　　6、結(jié)語(yǔ)
　　
　　此設(shè)計(jì)方案已經(jīng)應(yīng)用于嵌入式無(wú)聲交互控制系統(tǒng)的檢測(cè)，并且運(yùn)行正常。實(shí)踐證明，該嵌入式Linux溫濕度傳感器設(shè)計(jì)方案可行有效，線程阻塞提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，在環(huán)境測(cè)量準(zhǔn)確度和系統(tǒng)實(shí)時(shí)性方面得到了令人滿意的效果。由于此方案基于Linux操作系統(tǒng)和PXA310平臺(tái)，其在多任務(wù)、實(shí)時(shí)快速處理上具有一定的優(yōu)勢(shì)。