物联网结点在Linux下的传感器驱动设计

摘要

本文以物联网在大型结构健康监测中的应用为背景，基于Zynq-7000片上系统设计物联网传感器系统，使用其可编程逻辑为作用于结构上的激励机构提供激励信号，并采集通过敏感元件获取的结构响应信号，使用其处理器系统实现数据处理以及网络通信，从而为大型结构的动力学特性测试提供支撑。
　　本文基于Zynq-7000片上系统设计物联网传感器系统，实现FPGA逻辑设计以及Linux驱动程序和应用程序设计。本文的工作主要包括以下四个部分:1）波形产生模块和数据采集模块逻辑设计，实现传感器激励信号输出与响应信号采集;2）基于UIO子系统实现传感器设备用户空间驱动开发，实现字符设备文件操作函数及设备内存映射;3）基于IIO子系统实现传感器设备内核空间驱动开发，实现用户字符设备注册及文件操作函数，实现数据多级缓存;4）嵌入式Linux应用程序开发，实现数据处理与网络编程。
　　本文基于UIO子系统实现传感器设备用户空间驱动，实现应用程序对设备内存直接寻址操作，避免因多次系统调用导致的时间消耗。基于IIO子系统实现传感器设备内核空间驱动，向IIO子系统新增模块注册用户字符设备并实现文件操作函数，并实现内核数据多级缓存，将多次“设备-内核空间-用户空间”的数据读取模式变成一次“内核空间-用户空间”的系统调用，从而提高读取效率。测试结果表明两种方式实现的传感器设备驱动程序均提高传感器设备读写效率，都可以实现高速数据传输。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 物联网技术研究现状及发展

1．2．1 物联网发展状况

1．2．2 物联网技术概述

1．2．3 物联网传感器技术

1．3 片上系统的发展及应用

1．4 Linux操作系统与设备模型

1．5 论文的研究内容及结构安排

第二章 基于ZYNQ的物联网传感器系统及ZYNQ硬件系统简介

2．1 基于ZYNQ的物联网传感器系统结构组成

2．2 Zynq-7000系统简介

2．2．1 Zynq-7000片上系统组成

2．2．2 AXI4接口

2．3 PetaLinux工具介绍

2．4 基于Vivado的硬件开发流程

2．5 本章小结

第三章 基于ZYNQ的传感器IP核设计

3．1 参数接收模块设计与实现

3．1．1 参数接收IP核设计

3．1．2 参数接收IP核功能测试

3．2 数据采集模块设计与实现

3．2．1 数据采集IP核设计

3．2．2 数据采集模块设计

3．2．3 数据采集模块功能测试

3．3 波形产生模块设计与实现

3．3．1 波形产生IP核设计

3．3．2 波形产生模块设计

3．3．3 波形产生模块功能测试

3．4 SPI接口模块IP核设计与实现

3．5 本章小结

第四章 基于ZYNQ的传感器用户空间驱动开发

4．1 Linux用户空间驱动模型

4．2 UIO(Userspace I／O)子系统

4．3 基于UIO子系统的数据采集模块和波形产生模块驱动程序开发

4．3．1 内核端驱动程序设计

4．3．2 用户端驱动程序设计

4．3．3 驱动测试

4．4 本章小结

第五章 基于ZYNQ的传感器内核空间驱动开发

5．1 IIO(Industrial I／O)子系统

5．2 基于IIO子系统的数据采集模块和波形产生模块驱动程序开发

5．2．1 内核驱动程序设计

5．2．2 驱动程序测试

5．3 参数接收IP核驱动程序开发

5．4 本章小结

第六章 基于ZYNQ的Linux应用程序开发

6．1 Linux应用程序开发

6．1．1 网络通信任务

6．1．2 数据采集任务

6．2 上位机程序开发

6．3 系统测试

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间的科研成果