ＬＸＩ和ＧＰＩＢ编程仪器通用接口设计范文
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摘要：如果开发出可编程台式仪器通用接口模块，那么只要更换仪器功能模块便可迅速实现各类可编程台式仪器。目前LXI和GPIB是这类仪器常用接口，且两种接口各有优势，鉴于此，本文应用嵌入式系统开发了具有LXI和GPIB的可编程台式仪器通用接口模块。介绍了其总体设计方案；移植了boa服务器，实现了LXI总线的Web接口；给出了Linux下GPIB驱动开发方法，其中在中断服务中提出了顶半部底半部设计思想，引入了非原子队列实现底半部，提高了驱动运行效率。结合仪器功能模块进行了测试，此接口模块工作正常，具有较高的工程应用价值。
关键词：通用接口；LXI；GPIB；TNT48820
引言
如果在研发可编程台式仪器方面借鉴模块化仪器思路，将总线接口功能独立出来，做成通用接口模块，然后结合仪器功能模块实现产品，这样就能缩短研发周期，降低研发成本，同时也方便对仪器进行升级。LXI是LAN面向仪器的扩展总线，此时仪器可以认为是物联网，此接口模块又具有GPIB接口，所以一般利用嵌入式系统来满足多接口多用户的需求。本文提出了利用S5P4418处理器结合Linux的嵌入式系统来开发通用接口模块的技术方案。由于boa是小巧高效的Web服务器，支持CGI（Com－monGatewayInterface）并且对Linux兼容性很好，因此通过移植boa来实现LXI协议规定的Web接口，为了能够实现Linux下GPIB驱动，给出了开发方法。但有了操作系统就会存在系统中断信号、进程间分配调度等情况，这样就带来了仪器监听命令实时性有时降低的问题，所以在GPIB中断服务中提出了顶半部底半部设计思想，引入了非原子队列实现底半部，增加了驱动运行效率，监听命令实时性有时降低的情况得到了一定改善。
1通用接口模块总体设计
具有LXI和GPIB的可编程台式仪器接口模块硬件系统除了要有LAN接口和GPIB接口外，还要有仪器复位按钮、仪器状态指示灯，为此采用嵌入式系统进行构建，具体硬件原理［1］框图如图1所示。三星公司的S5P4418基于ARMCortex－A9、主频为1．4GHz，内部集成了4GB／8GB／16GB的EMMC、SDRAM控制器，支持RTL8211E千兆以太网控制器，拥有5通道UART、4通道DMA、USB主机接口和设备接口及24路外部中断源。综合考虑功能和性能需求、成本、功耗等因素，选择S5P4418作为嵌入式MCU。对于GPIB接口，需要外加一块GPIB控制器芯片，NI公司提供的TNT4882芯片是一款高速且听讲功能兼备的GPIB接口专用芯片，因此GPIB控制器选择了TNT4882芯片。图2接口模块软件原理框图接口模块软件系统如图2所示。由于boa［2］是一个成熟的嵌入式Web服务器，能够高效依次完成用户的请求，最为关键的是boa支持CGI［3］；CGI是一种Web服务器用户接口规范，是运行在Web服务器上的一段程序，它能够实现Web服务器与底层操作系统交互，从而可以实现网络配置［4］，因此利用boa实现Web接口。对于GPIB通信，需要开发出Linux下GPIB驱动程序，主要包括初始化函数、中断处理函数、读写操作函数。
2接口的实现
Web服务器利用boa来实现，但由于通用接口模块的平台是基于Linux操作系统和ARM9处理器，所以要对其进行移植。具体方法如下：自带的makefile文件是针对一般环境，需要对其进行修改，找到CC＝gcc，将其改成CC＝arm－linux－gcc，再找到CPP＝gcc–E，将其改成CPP＝arm－linux－gcc－E。这样是为了把编译器指定为Linux和ARM处理器平台下的，最后在终端的目录src下输入make命令，并输入arm－linux－stripboa剥去调试信息，生成boa执行文件。在配置文件boa．conf中将bind调用的IP地址绑定到INAD－DR＿ANY；Usernobody修改为User0，Groupno－group修改为Group0，需建立／var／log／boa目录，UseLocaltime使用本地时间，ServerName为服务器名字，此参数必须赋值，DocumentRoot需要设置成自己的HT－ML文档的主目录；DirectoryIndex为HTML目录索引的文件名，一般写index．html。如果DirectoryIndex不存在，该目录必须是boa能读写，一般填／var／spool／boa／dircache，KeepAliveTimeout为HTTP持续作用中服务器在两次请求之间等待的时间数，超时将关闭连接，可以根据自身需求设定；需要指明mime．types文件位置；CGI－Path〈string〉提供CGI程序的PATH环境变量值，可写／bin：／usr／bin：／usr／local／bin；ScriptAlias〈／cgi－bin／〉非常重要，指明CGI脚本的虚拟路径对应的实际路径。
3Linux下GPIB驱动开发
3．1初始化函数设计
初始化函数需要完成向内核注册GPIB驱动［5］、GPIB控制器的寄存器硬地址映射［6］到内存、启动TNT4882［7］芯片工作，要对实现读写互斥的信号量和实现阻塞的等待队列进行初始化。由于在中断处理函数中引入了非原子队列，在这里也需进行初始配置。具体开发方法如下：向内核注册GPIB驱动直接调用内核提供的register＿chrdev函数；映射是通过调用内核函数ioremap来实现的，此函数第一个参数需要设置为TNT4882芯片的首地址，TNT4882芯片的首地址由硬件设计的片选信号线决定，函数返回内存映射首地址，因为芯片手册给出了每个寄存器的偏移量，这样TNT4882的首地址加上偏移量就可以得到每个寄存器在内存的地址，然后就可以对TNT4882芯片使能。具体流程为：将TNT4882芯片中的Turbo电路复位，并将TNT4882设置成Turbo＋7210式，同时设置成单芯片模式，使能Local＿PowerOn信号，设置TNT4882的GPIB主地址，将副地址取消以及对GPIB握手参数进行配置开始GPIB操作，读写操作可能会同时访问同一资源，这种情况就变成了临界区，会产生竞态，导致系统内核的崩溃，信号量就是产生互斥的机制，信号量在使用前要对其进行初使化，通过调用内核函数init＿MUTEX完成；对于中断响应，如果任务需要耗时比较长，可以把中断处理分割为顶半部和底半部，顶半部只用来响应中断，从而快速完成中断响应，而底半部单独进行任务的处理，非原子队列开辟内核进程还支持休眠，底半部利用非原子队列处理任务，这样使中断处理部分变成内核进程，可以和用户态进程同时执行，从而提高驱动效率，使用前，它通过调用init＿WORK函数完成初始化；阻塞可以让进程睡眠，进程在运行时如果需要等待另一个事件来到才能继续运行，这种情况可以用阻塞来使进程睡眠，由于应用层的进程需要等待数据来到才能继续处理，所以在内核的读函数里需要添加阻塞，内核提供了等待队列机制，使用前调用内核函数init＿waitqueue＿head进行初始化。图3中断函数流程图
3．2中断服务设计
GPIB主设备发来注意命令（ATN），TNT4882产生中断，在GPIB接口处是已远控使能（REN）和听者作用状态（LACS），那么GPIB接口就准备接收数据。如果GPIB接口处是已远控使能和讲者作用状态（TACS），那么GPIB接口就可以发送数据。中断函数流程图如图3所示，具体开发方法如下：request＿irq［8］函数是Linux字符设备驱动中断注册接口，利用此函数将中断服务注册到内核里，中断号配置成硬件原理图占用中断向量表的中断号，将参数＊device获取的GPIB设备名记录在／proc／inter＿rupts文件中，分割中断，利用中断响应属性flags将中断底半部分割运行，把TNT4882中断使能寄存器中有关的ATN、REN、LACS、TACS利用内核函数iowrite8全部使能，在中断服务程序中，读TNT4882中断响应信息寄存器的信息，出现与LACS相同的值后，调用收操作，出现与TACS一致的值，调用发操作。对于收操作和发操作，自定义了两个函数（shortRe－ceive（void）和shortSend（void））来实现，在接收操作方面，因TNT4882的FIFO为16字节深，不仅提供了它的全满标志位，而且还提供了半满标志位，本设计中没有使用传统的全满位作判断位，而是利用了FIFO半满位。好处是，FIFO中数据取到内核缓冲区和FIFO继续接收数据可以同时进行，如果用全满位，则只有满了将数据取走后，有了空间FIFO才能收数据，因此这样可以提高数据接收速率。Receive函数实现具体是：在传输寄存器里配置传输参数，完成设置后，再用ioread8函数读取该寄存器传输准备位，传输就绪后，最后使能传输工作位；设置收到字符计数变量，判断中断使能寄存器的听状态位，出现听状态以及FIFO已经超过了半满，然后循环从FIFO中取数，听状态结束，FIFO中还存在数据，用ioread8函数将数据全部接收，结束收流程。在发送操作方面，它不像收操作直接调用Receive函数，而是间接调用。通过调用非原子队列来调用发函数，这样队列和用户态的进程可同时运行，从而使驱动开销时间减少，提高了运行效率。用creat＿workque创建队列，将该创建的队列赋给queue＿work函数第一个参数，将Send函数指针赋给queue＿work函数第二个参数，从而将Send函数插入队列，并将workque＿struct类型的结构体变量中的属性成员配置成非原子操作，中断服务程序运行到queue＿work接口处，内核将自动开辟进程执行Send函数。Send函数实现具体是：进行传输初始化，初始化过程与Receive函数一样，设置要传输字符计数变量，读取FIFO状态寄存器，判断是否FIFO为满，不为满时往里面循环传输数据，直到计数变量到达此次发送字符数，退出发送操作，在发送完毕后一定要对开辟线程做结束处理，通过调用内核函数destroy＿workqueue完成。
3．3设备文件操作—读写函数设计
read和write是Linux字符设备驱动标准接口，其完成用户态和内核态数据交互，在read和write里分别调用内核的copy＿to＿user和copy＿from＿user函数来实现。对于读写操作，需要实现互斥，这里采用Linux内核机制信号量来完成。具体实现方法是：设置一个驱动全局变量为信号量，通过内核宏MUTEX将初始值置为1，在read和write的入口处［9］调用内核函数down，将信号量的值变0，结束处调用up函数再使信号量的值恢复。这样读写操作有一个操作进入了临界区，取走了信号量，类似上了锁，另一个操作将无法访问，只有一个操作完成，还了信号量，另一个操作才能访问临界区，从而实现了互斥。除此之外，为了实现应用程序在数据没有到来的时候能够被挂起，内核的读函数还要实现阻塞。具体实现的思路是：在读函数里的开始处可以通过调用wait＿event＿in－terruptible函数来使读函数进入睡眠状态，但要注意wait＿event＿interruptible要放到down函数前面，否则会产生死锁，在GPIB中断函数是已远控使能和听者作用状态结束处通过wake＿up＿interruptible函数来唤醒睡眠状态，这样就实现了读阻塞。
4测试与验证
接口模块上电开机，把描述仪器信息的HTML文档放置到Web服务器的主目录下，在上位机IE浏览器输入接口模块的IP地址192．168．0．224，便可访问到仪器信息，如图4所示，测试表明Web服务器工作正常。对于GPIB驱动器的测试，接口模块结合上仪器模块，在上位机打开GPIB调试软件GPIB资源管理器和网口调试软件SOCKET通信助手，通过以上两个应用程序向仪器发送命令，从图5中可以看到命令结果正常返回，说明GPIB驱动工作正常。
5结语
为了能够快速实现各类可编程台式仪器，利用S5P4418处理器和Linux开发出了具有LXI和GPIB的可编程台式仪器通用接口模块。通过移植boa实现了Web接口，并对Linux下GPIB驱动和可编程仪器命令通用解析服务器进行了开发，最终实现了该通用接口模块。但发现仪器具有操作系统后，带来了监听命令实时性有时降低的情况，为了改善这种情况，将GPIB中断服务分割成顶半部底半部，底半部引入非原子队列来实现，从而提高驱动运行效率。最后结合仪器功能模块进行了测试，该通用接口模块工作正常，达到了预期的工程目标。
作者：赵昕 郭恩全 朱健 单位：中国船舶集团公司第705研究所 陕西海泰电子有限责任公司