2024年5月5日发(作者：)

基于嵌入式Ｌｉｎｕｘ的

数据采集系统的设计

张红燕

　　

樊东红

　　

谢祥徐

　　

贺州学院物理与电子信息系　　５４２８００

摘　　要

基于嵌入式Ｌｉｎｕｘ的数据采集系统是分布式的

控制系统，在现场完成数据采集、数据处

理、数据存储、数据发送等多种任务。该

系统具有一定的自检测、自校正能力，　具有

良好的可靠性、稳定性和抗干扰性等特点。

关键词

嵌入式系统；　数据采集

２　系统设计

数据采集系统的采集任务在现场完

成。采集系统设计为分布式的控制系统，系

统上位机与现场检测下位机之间的通信基

于串口。正常运行时，现场下位检测控制器

完成数据采集、数据处理、数据存储、数

据发送等多种任务。系统具有一定的自检

测、自校正能力，能将异常情况传给ＰＣ机，

以便维护。为了适应各种不同情况对焊缝

自动检测的要求，整个检测系统采用模块化

结构设计，可应用不同的模块组合成不同的

应用系统。数据采集系统的基本组成如图

１所示。

２．１　系统的硬件

整个数据采集系统的硬件有传感器、

Ａ／Ｄ转器、微型工控机、ＰＣ机。

微型工控机实现系统的数据采集、

传输和存储微型工控机是基于嵌入式

Ｉｎｔｅｌ３８６ＳＸＣＰＵ的微型计算机，其主板采用

了扩展技术，使其具有４ＭＤＲＡＭ，外扩了

３２ＭＢｄｉｓｋｏｎｃｈｉｐ。具有１６位数总线，总线

时钟为８ＭＨｚ，提供１５个中断号。有看门

狗定时器及实时时钟，增强了系统的抗干扰

能力。主板有一个高速ＲＳ２２３２口，一个高

速ＲＳ２２３２／ＲＳ２４口（跳线选择），还有一个并

行通信口及ＩＤＥ接口，根据数据传送的速度

要求选择通信方式。这些为系统的设计提

供了良好的硬件平台。

２．２　系统的软件

软件的设计是在操作系统上实现的，嵌

入式操作系统是整个系统的核心。针对

本系统的特点，软件平台采用多任务嵌入式

操作系统Ｌｉｎｕｘ来实现，改变了传统的在类

似硬件平台下采用ＭＳ２ＤＯＳ单用户、单

嵌入式系统是以应用为中心，以计

算机技术为基础，软硬件可裁减，适合应

用系统对功能、可靠性、成本、体积和功

耗要求的专用计算机系统。在焊接自动化

及智能化等控制过程中，焊缝的快速检测

和实施跟踪是实现焊接过程质量控制的关

键。因此，设计一个能够在现场完成数据

采集、数据处理、数据存储、数据发送等

多种任务的系统非常必要。在软件方面采

用Ｌｉｎｕｘ作为嵌入式操作系统

［１］

，改变了

汇编语言单任务循环控制的监控方式，克

服了系统安全性差的特点。

１　嵌入式Ｌｉｎｕｘ的特点

嵌入式Ｌｉｎｕｘ

［１］

是一种由裁剪过的内核

（ｋｅｒｎｅｌ）和根据需要定制的系统模块组成的

小型操作系统。其特点有：内核微小，最多几

百ｋＢ；支持Ｘ８６等３０多种８ｂｉｔ～６４ｂｉｔ的

ＭＰＵ和ＭＣＵ，支持ＲＯＭ等多种存储器；

具有多任务、多进程的特征，具有一定的实

时性；通信网络支持完整，支持ＴＣＰ／ＩＰ等

常见协议，且可自行开发协议；具有图形用

户接口（ＧＵＩ）支持；具有网络、数据库和多

媒体支持功能，能够实现数据的网络通信和

实时处理；源代码免费开放，并具有可裁剪

性，能根据需求特定设计；Ｌｉｎｕｘ主机上的

程序可移植到嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统上；具有

强大的技术支持背景。

图１　　数据采集系统的组成

任务操作系统难以完成较为复杂的分布式

多任务应用的缺点。在数据采集系统中，

Ｌｉｎｕｘ系统可以同时处理多个传感器发送

来的较为复杂的控制任务，从而提高系统的

整体响应速度及并发处理能力。构成嵌

入式Ｌｉｎｕｘ系统

［２］

至少需要下面３个基本元

素：引导程序、Ｌｉｎｕｘ微内核和初始化

进程。如果要让它有更多的功能，还可加

上文件系统、ＧＵＩ和设计精简的应用程

序，并将其放在ｄｉｓｋｏｎｃｈｉｐ中启动。

２．２．１　内核的裁减编译与启动

微型计算机的存储空间较小，而标准

Ｌｉｎｕｘ是面向ＰＣ的，需要对Ｌｉｎｕｘ内核进

行裁减。对一些可独立加上或卸下的功

能块，可在编译内核时仅保留嵌入式系统所

需的功能支持模块，删除不需要的功能。

为了满足一定的实时性要求，需屏蔽内核的

虚拟内存管理机制来增强Ｌｉｎｕｘ的实时

性。系统中微机主板属于Ｘ８６体系结构，

兼容一般桌面ＰＣ的Ｌｉｎｕｘｉ３８６版本。这

样，我们可以直接使用Ｘ８６体系的编译器对

Ｌｉｎｕｘ核心源代码直接进行编译及裁剪，并

避免了对Ｌｉｎｕｘ核心源代码中涉及ＣＰＵ的

部分模块以及内存管理模式模块的修改。

增加了文件系统和ＧＵＩ。根据系统需要，

文件系统应包括：基本文件系统结构、基

本应用程序、基本配置文件、基本设备／

ｄｅｖ／ｈｄ＊和／ｄｅｖ／ｔｔｙ＊、基本程序运行所

需的函数库。ＧＵＩ是软件可视化设计不可

缺少的，也为将来的现场检修维护提供可视

化的界面。编写Ｌｉｎｕｘ的引导代码，将

ｄｉｓｋｏｎｃｈｉｐ作为系统的启动设备，引导代码

放在ｄｉｓｋｏｎｃｈｉｐ上。系统加电后，由引导

代码进行基本的硬件初始化，然后把内核经

映像装入内存运行。

２．２．２　设备驱动程序

系统需要对Ｉ／Ｏ口、串口编写设

备驱动程序。设备驱动程序是操作系

统内核与硬件之间的接口，属于内核的一

部分，主要功能应包含：对设备初始化或

释放、把数据从内核传送到硬件及从

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信息科技

中国科技信息２００７年第１８期　　　　ＣＨＩＮＡ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　Ｓｅｐ．２００７

硬件读取数据、读取应用程序传送给设

备的数据和回送应用程序请求的数据、

监测和处理设备出现的异常。

设备驱动程序的实质就是中断处理。

Ｌｉｎｕｘ中断处理程序分为上半部和下半

部。上半部即一般的中断服务程序，由硬

件中断触发，一般运行在关中断的方式下，应

当尽可能短小，处理尽可能快；下半部运

行在开中断和任务串行化的环境下，处理需

较长时间的任务。驱动程序上半部在处

理完实时性很强的任务后，用ｑｕｅｕｅ＿ｔａｓｋ函

数将下半部处理函数挂入立即队列，并用

ｍａｒｋ＿ｂｈ函数来激活立即队列，下半部就可

以最优先地被执行。

用户进程是通过设备文件与硬件打交

道，对设备文件的操作方式是系统调用，由

ｆｉｌｅ＿ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ结构实现系统调用。这个结

构的每一个成员的名字都对应着一个系统

调用。用户进程对设备文件进行操作时，系

统调用通过设备文件的主设备号找到相应

的设备驱动程序，然后读取这个数据结构相

应的函数指针，接着把控制权交给该函数。

这就是Ｌｉｎｕｘ设备驱动程序工作的基本原

理。编写设备驱动程序的主要工作就是编

写子函数，并填充ｆｉｌｅ＿ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ的各个域。

设备驱动程序以模块方式加入内核，在

ｉｎｉｔ＿ｍｏｄ２ｕｌｅ模块中，当检查设备存在后，用

ｒｅｑｕｅｓｔ＿ｉｒｑ函数为设备申请系统中空闲的

中断，用ｋｍａｌｌｏｃ为设备驱动程序申请输入

输出缓存队列，如果申请成功，用

ｒｅｇｉｓ２ｔｅｒ＿ｃｈｒｄｅｖ函数将设备驱动程序注册

到系统中，加载完成。在ｃｌｅａｒｕｐ＿ｍｏｄｕｌｅ

模块中，先用ｆｒｅｅ＿ｉｒｑ函数释放申请到的中

断，然后用ｋｆｒｅｅ函数释放申请到的内存空

间，最后用ｕｎｒｅｇｉｓｔｅｒ＿ｃｈｒｄｅｖ函数释放注册

的设备驱动程序。

２．２．３　应用程序设计

在基于嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统的微机中，应

用程序的主要模块有数据采集模块、数

据处理模块、数据通信模块和数据诊断

模块。应用程序流程图见图２。数据采集

模块是通过对Ｉ／Ｏ口操作实现的。利用

ｉｎｂ、ｉｎｂ＿ｐ、ｏｕｔｂ、ｏｕｔｂ＿ｐ等４个函数

编写读取和写入程序。ｉｎｂ＿ｐ、ｏｕｔｂ＿ｐ

与ｉｎｂ、ｏｕｔｂ的区别在于前者在存取Ｉ／Ｏ

时有等待（ｐａｕｓｅ），可适应慢速的Ｉ／Ｏ设备。

为了防止存取Ｉ／Ｏ时发生冲突，Ｌｉｎｕｘ提供

对端口使用情况的控制。在使用端口之

前，可以检查需要的Ｉ／Ｏ是否正在被使用，如

果没有，便把端口标记为正在使用，使用完后

再释放。系统提供ｃｈｅｃｋ＿ｒｅｇｉｏｎ、

ｒｅｑｕｅｓｔ＿ｒｅｇｉｏｎ、ｒｅｌｅａｓｅ＿ｒｅｇｉｏｎ几个函数完

成这些工作。

数据处理模块实现数据的均值与极值

计算，以文件的方式存储数据。历史数据

对焊缝数据采集系统很重要，可上传到服务

器以便预报系统根据设置的模型进行预测，

还可不断修正数据诊断模块所需的模型。

数据诊断模块实现实时分析诊断，根据

已设置的模型，在系统工作期间对系统数据

进行测试分析。诊断程序设置为嵌入式系

统中中断级别最低的中断服务程序，在不影

响系统工作的前提下实现实时诊断，并上传

给上位机，以便跟踪诊断校准，保证系统的可

靠性。

数据通信模块主要任务是通过串口与

上位ＰＣ机实现数据传输。在Ｌｉｎｕｘ系统中，

串口是用做字符设备处理的。使用文件操

作函数对串口进行处理，利用ｏｐｅｎ函数打

开串口，利用ｔｅｒｍｉｏｓ结构设定串口通信参

数。

＃ｄｅｆｉｎｅＮＣＣＳ１９

ｓｔｒｕｃｔｔｅｒｍｉｏｓ｛

　ｔｃｆｌａｇ＿ｔｃ＿ｉｆｌａｇ；　／／ｉｎｐｕｔｍｏｄｅｆｌａｇｓ

　ｔｃｆｌａｇ＿ｔｃ＿ｏｆｌａｇ；　／／

ｏｕｔｐｕｔｍｏｄｅｆｌａｇｓ

　ｔｃｆｌａｇ＿ｔｃ＿ｃｆｌａｇ；　／／

ｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｅｆｌａｇｓ

　ｔｃｆｌａｇ＿ｔｃ＿ｌｆｌａｇ；　／／ｌｏｃａｌｍｏｄｅｆｌａｇｓ

　ｃｃ＿ｔｃ＿ｌｉｎｅ；　／／ｌｉｎｅｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅ

　ｃｃ＿ｔｃ＿ｃｃ［ＮＣＣＳ］；　／／

ｃｏｎｔｒｏｌｃｈａｒａｃｔｅｒｓ｝；

其中：ｃ＿ｉｆｌａｇ为控制输入处理；

ｃ＿ｏｆｌａｇ为控制输出处理；ｃ＿ｃｆｌａｇ为控制

波特率、数据位、停止位、校验位等；

ｃ＿ｌｆｌａｇ用来侦测字符是否回应，并将信号送

到程序；ｃ＿ｃｃ为控制字符定义和超时设定；

在程序结束时，用ｃｌｏｓｅ函数关闭端口．

２．２．４　系统执行

经过以上步骤，在嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统上

实现数据采集系统已基本构成。系统执行

流程见图３。

３　结束语

基于嵌入式Ｌｉｎｕｘ的数据采集系统具

有数据检测的实时性、检测精度高、自动

化程度高、具有良好的可靠性、稳定性和

抗干扰性等特点。

参考文献

［１］郑锐，黄佩伟．基于ＡＲＭ－Ｌｉｎｕｘ的智能

传感器中央控制器，电子技术．２００６年１２

月，ｐ４３－４６

［２］许焰　等．基于ＣＡＮ总线的数据采集和控

制系统，机电工程．２００７年２月，第２４

卷，第２期，ｐ５９－６１

作者简介

张红燕，女，１９７８年生，山东临清人，硕士

研究生，助理工程师，主要研究方向：嵌入

式系统的应用，粒子滤波在移动通信中的应

用等。

樊东红，女，１９６４年生，广西来宾人，研究生学

历，高级实验师，主要研究方向：数值计算和模

拟，电子设计等。

谢祥徐　男，１９７４年生，广西岑溪人，讲师，

主要研究方向：嵌入式系统的应用。

上接第１４４页

信息化服务将让社会充分享受医疗卫生提

供的智能化服务。作为医疗领域数据库

应用的首选，后关系数据库Ｃａｃｈé将为

我国医疗卫生信息化提供数据库方面的良

好支持，而后关系数据库技术也必将大

范围地应用和推广。

参考文献

［１］　陈培正，孔令人，石义芳，于芳．后关系型

数据库在ＨＩＳ中的应用．　医疗设备信息．

２００５，２０（１１），Ｐ３０－３２

［２］　王继中．从Ｃａｃｈé看后关系型数据库．

中国计算机用户．２００４，（４８），Ｐ６３

［３］　易昜，冯昌琪．四川省数字医疗及公共

卫生信息服务研究．中国卫生事业管理．

２００６，（１０），Ｐ６３４－６３５

［４］　方睿，韩斌．后关系型数据库Ｃａｃｈé的

应用研究．武汉大学学报．２００５，５１（１２），

Ｐ１８３－１８６

图２　　应用程序流程图图３　　系统执行流程图

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