2 系統軟件設計

　　系統軟件是整個系統的靈魂，其設計的好壞直接影響系統的穩(wěn)定性和可擴展性等性能。系統設計將軟件分為兩層結構，如圖5所示。最下面一層為操作系統層，主要實現對Linux操作系統的移植和各種設備驅動程序的編寫，包括OLED模塊、USB Device、紅外、鍵盤等設備驅動程序。上一層為應用程序層，主要實現卡信息顯示、鍵盤掃描、電子標簽卡讀寫、文件傳輸、時鐘以及電池電量檢測等功能。

　　2.1 嵌入式Linux

　　Linux是一種公開源碼的多任務操作系統，具有開放度高、安全性好、穩(wěn)定性強、可移植性好等特點，在嵌入式操作系統中被大量采用。

　　本設計采用的Linux內核是在ARM-Linux的基礎上，編寫了OLED顯示模塊、USB 設備、紅外收發(fā)器及鍵盤的設備驅動程序。在Linux系統中，設備驅動程序占有很重要的位置，它提供了在用戶空間操作硬件設備的接口。Linux系統將設備分為字符設備、塊設備及網絡設備三種，并給出針對不同設備的數據結構及注冊函數。當用戶開發(fā)設備驅動程序時，只需按硬件操作的方法填充設備數據結構，并將它注冊到內核中即可。

　　為了方便用戶應用程序的編寫，把USB設備實現為CDC（Communication Device Class）類設備，其驅動程序分為兩層，最底層操作AT91RM9200上的USB設備控制器，如處理硬件中斷、讀寫寄存器及操作I/O口來檢測設備的插拔；上層實現了底層與TCP/IP協議層的連接，主要是模擬物理網卡，并注冊到內核。這樣，在應用程序的USB設備就是一個標準的網絡設備，用戶不需要了解驅動程序的接口，而直接使用Linux提供的套接字進行網絡通信程序的開發(fā)。當用戶進行二次開發(fā)時，可以不加修改地將上位機開發(fā)好的網絡通信程序直接移植到本系統中，而且可以通過上位機的Telnet等工具對嵌入式系統進行一定的操作。

　　其他驅動程序(如OLED顯示模塊、鍵盤、紅外收發(fā)器)都作為Linux下的標準字符設備編寫，使用register_chrdev( )函數進行注冊，提供了讀、寫和控制操作。在Linux系統中，應用程序對字符設備的操作與文件的操作相同。

　　Linux中設備驅動程序可以通過模塊方式動態(tài)地加載和卸載，也可以直接編譯到內核中。前者使用靈活，可以減小內核，但因嵌入式系統要求所有設備在初始化后全部就緒，不能在使用時加載設備的驅動模塊。所以，本系統中所有的設備驅動程序都直接編譯進內核。

　　每個設備驅動程序在用戶空間對應一個設備文件，由文件系統管理。本系統使用ext2作為根文件系統。為了開發(fā)和升級方便，首先將根文件系統做成RAMDISK格式，所謂RAMDISK就是系統啟動后將壓縮的文件解壓到內存，形成一個虛擬硬盤；然后，將引導程序、內核映像及根文件系統燒寫到Flash中。

　　系統加電后，引導程序將內核映像從Flash中調入內存，然后從核入口開始執(zhí)行：首先初始化CPU，然后加載各個設備驅動程序，最后掛載文件系統，執(zhí)行應用程序。

　　2.2 應用程序設計

　　Linux是多任務系統，支持多線程及多進程。多線程的優(yōu)點是線程比進程小，可以使應用更輕便，線程間通信方便；缺點是所有線程使用同一個地址空間，如果一個線程出現問題，整個系統將受影響；而進程各自占有一份內存空間，可以增強系統的穩(wěn)定性，但是多進程增加了系統開銷，進程間通信復雜。為此，根據實際情況，考慮到系統穩(wěn)定性，本系統采取兩者相結合的方式分別完成數據采集處理及文件傳輸功能。

　　2.2.1 數據采集處理
　　數據采集處理是一個進程，它包括主線程和輔線程。主線程完成電子標簽卡信息的讀取、寫入、實時顯示及查詢；輔線程實現一個時鐘以提供用戶當前時間，并定時對電池的電量進行檢測和動態(tài)顯示，在電量過低時發(fā)出警告。

　　應用程序用MAIL命令方式完成電子標簽卡的讀寫。該進程首先初始化屏幕，然后等待按鍵中斷，當有鍵按下時，根據鍵值執(zhí)行相應的工作；當指定時間內沒有鍵按下，系統則進入休眠狀態(tài)，從而達到省電的目的。程序流程圖如圖6。

　　當成功采集到標簽卡信息后，應用程序將卡信息(包括卡號、卡狀態(tài)、用戶數據及當前時間)通過OLED顯示屏提供給用戶，并寫入一個文件進行記錄。由于文件傳輸進程會將該文件傳輸到上位機，所以當讀寫文件時要將文件上鎖。Linux提供了文件鎖以防止不同進程同時訪問同一個文件。本文使用flock（）函數對文件上鎖和解鎖。

　　由于OLED是圖形點陣式顯示屏，而且Flash容量有限，所以不可能直接使用漢字字庫。系統預先提取所有用到的漢字、數字及字母的點陣數據，然后建立自己的字庫文件，從而使應用程序可以對漢字、數字及字母進行顯示。

　　2.2.2 文件傳輸
　　文件傳輸是一個進程，完成卡信息的上傳及其他數據的下載。與上位機通信采用Clinet/Server模型。該進程實質上是一個服務器端（本系統）的應用程序，它循環(huán)等待客戶端（上位機）的連接請求。當請求到達時，首先判斷請求來自哪個接口(USB或者紅外接口)，然后根據請求的類型執(zhí)行相應的上傳或下載。考慮到實際應用中可能會使用多臺手持式閱讀器，為了方便上位機對信息的管理，規(guī)定文件名由手持式閱讀器編號和文件上傳序號組成，程序在上傳文件時自動將其編號及上傳序號加入文件名。該進程的流程如圖7。

3 系統電源管理

　　本系統使用鋰電池為系統供電。為了延長電池的續(xù)航能力，將應用程序設計為三種運行狀態(tài)：上電空閑狀態(tài)、程序執(zhí)行狀態(tài)及系統睡眠狀態(tài)。當用戶不進行任何操作時，系統將進入睡眠狀態(tài)以達到省電目的。系統的睡眠是基于微處理器的電源管理功能實現的，進入睡眠的步驟如下：

　　(1)關閉所有外設；
　　(2)保存當前系統狀態(tài)；
　　(3)使SDRAM進入自刷新模式；
　　(4)設置喚醒事件，使微處理器進入睡眠狀態(tài)。

　　當喚醒事件發(fā)生時，如有鍵按下，則執(zhí)行系統復位。過程如下：

　　(1)恢復部分微處理器的寄存器；
　　(2)喚醒外部設備，系統開始運行。

　　本文介紹了在AT91RM9200高性能ARM芯片上運行嵌入式Linux，結合TagMaster AB公司功能強大的射頻識別模塊S1510實現便攜式標簽卡的信息采集和處理。系統使用方便、靈活。另外，為克服LCD低溫無法工作、亮度不夠及耗電大的缺點，采用OLED顯示模塊使系統可以在惡劣環(huán)境下應用，并增加了電池的續(xù)航能力；為使系統與上位機通信方便，采用了支持熱插拔的USB接口。

參考文獻

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