基于Cubieboard2的静电测试仪开发

摘要：对于电子制造类企业，员工在进入车间前需要进行静电测试，以防操作中自身静电对电子元器件造成破坏。对于一个信息化水平较高的工厂，都会使用MES系统对生产的各个过程进行管控，包括员工每日的静电测试记录。因设备需求量大，同时要符合人机交互的需求，所以要求静电测试仪成本低、操作友好的、便于维护。本文介绍了基于Cubieboard2的静电测试仪的开发思路以及一些设计经验，供更多工程师作为入门参考。
关键字：静电测试仪、Cubieboard、GPIO、Android

0 引言

Cubieboard2是方糖科技公司基于全志科技A20芯片开发的一款核心板，常见外设如GPIO、UART、SPI、I2C等都有提供，可以认为是一款增强版的ARM开发板，不过该板可以跑各种操作系统如Ubuntu、Android、Debian等。考虑到当前安卓设备的普及程度、安卓应用开发的熟悉程度以及产品自身的交互性需求，通过安卓APP控制底层的GPIO来获取端口电平高低来判定静电测试通过情况是一种较好的方式。

1 设备控制原理概述

静电检测设备可认为是一个开关，静电测试合格时开关闭合，正常情况下开关断开。将静电测试设备串入Cubieboard，通过检测某个GPIO口的电压便可判定设备导通情况，电气原理图如图1.1所示。

图1.1 电平检测原理图

2 A20芯片GPIO概述

2.1 基本概念

General Purpose Input Output，即通用输入/输出，也称总线扩展器。GPIO为内核必备的模块，无须sys_config.fex进行配置[1]。实际上，无须配置是指GPIO的驱动模块已经嵌入内核，除有特殊配置的端口，其余默认为输出功能，可以通过开发Linux程序调用GPIO。sys_config.fex是Cubieboard核心板默认的配置文件，每个端口的默认功能都在其中定义。在本应用中，某个GPIO口需要检测输入，因此需要单独配置。

2.2 GPIO功能描述

根据文献[2]中的描述可知，每个GPIO口都有不同的复用功能，一般功能有输入\输出\中断输入等。根据sys_config.fex中默认的端口配置查阅文献[2]，可知此引脚的具体功能含义。图2.1为文档[3]中部分原理图，由图可知，PE口被作为拓展口引出，因此本文选择PE4口作为电平检测口，便于外围接线。
图2.2为本文在sysconfig1.lhs（在Android系统下等同于sys_config.fex文件）配置的GPIO参数。其中gpio_used表示是否使能端口，gpio_num表示需要使用的端口数量，gpio_pin_1表示要配置的第一个Pin脚的功能，格式为：

Port:端口+组内序号<功能分配><内部电阻状态><驱动能力><输出电平状态>
例如：
port:PE4<0><1>

对于上例，通过查阅手册[2]的PE Configure Register信息可知，PE4的功能0即为输入功能；查阅PE Pull Register0可知default为禁用上拉\下拉，内部为高组态；查阅PE Multi-Driving Register0可知默认驱动能力为Level1；查阅PE Data Register可知端口输出状态为1。

图2.1 Cubieboard2原理图（部分）

图2.2 本应用GPIO配置

3 Cubieboard2烧写Android系统

3.1 DragonFace

DragonFace是一款系统镜像编辑工具，功能强大，具有读取安卓系统镜像中的配置、修改开机启动画面、增加或删除内置应用等功能，主界面如图3.1所示。

图3.1 DragonFace主界面

点击主界面上的“固件”，选择从官方下载的支持触摸屏显示的镜像。切换至“高级设置”选项卡，点击“修改系统配置”即可读取内置的sysconfig1.lhs。根据需要对相应的GPIO口进行类似图2.2所示的配置，配置完成后保存退出。最后点击界面上的“保存”按钮，在弹出的对话框中重命名修改后的系统镜像。需要注意的是，不同Windows系统下保存的系统镜像大小不同，经测试，win10x64系统下保存的镜像烧录后无法正常工作，win7x86系统下保存的镜像可以正常工作。

3.2 PhoenixSuit

PhoenixSuit是一款烧录工具，作用和51单片机下的烧录工具类似，只不过单片机烧录工具烧录的是.hex文件，而PhoenixSuit烧录的是包含完整系统的.img文件。有关PhoenixSuit工具的具体使用方法参见文档[4]。
如果因配置错误导致烧录后开发板无法启动，可使用如下步骤烧录原始镜像：

拔下开发板连接PC的microUSB线
按住开发板上的FEL键（位置microUSB口下方）
打开PhoenixSuit，选择官方默认固件
将microUSB线连上电脑
当发现PhoenixSuit已开始烧录固件时，可松开FEL键

4 SHELL下的GPIO操作

4.1 Linux内核初探

虽然本设备核心板中烧录的是Android系统，但Android仍基于Linux，所以可以通过操纵底层硬件的方式来进行GPIO读写，因此有必要了解Linux内核。在开发板配套的配套教程中，Linux源码位于\lichee\linux-3.4目录下，该目录如图4.1所示。

图4.1 Android的linux内核目录

以上目录结构和标准的Linux内核是一致的，除了多一个modules目录。modules目录是扩展用来存放没有跟内核的sys_config.fex集成的外部模块的地方。需要重点关注的是arch目录，该文件夹下存放的是不同芯片架构的内核配置文件。由于A20芯片基于ARM的Cortex-A7架构，所以相关的内核配置文件放在\arch\arm文件夹下。不同公司的基于ARM架构的芯片因外设不同，模块配置也不尽相同，全志A20芯片的相关配置文件都放在\arm\mach-sun7i目录下。对于GPIO模块的配置有对应的gpio目录，如想深入研究GPIO底层驱动的实现，可对照文献[2]中的寄存器说明来阅读源码。
如果说\arch目录实现了不同linux架构、同一架构下不同厂商的不同外设的统一，那么与之平级的\drivers目录则实现了所有外设的统一，实现了对底层寄存器访问函数的统一封装。满足linux架构的外设驱动模块可被linux内核加载，并对外提供统一的调用接口，比如open函数，read函数就可以实现指定模块的打开和状态读取，前提是该模块已经被正确加载。

4.2 常用SHELL指令介绍

除了编程使用open、read等函数通过调用底层GPIO驱动来实现引脚状态读取，还可以通过SHELL指令直接操作相关寄存器的映射文件进行值的读写。
使用过DOS系统和Windows终端控制台的人对命令行界面都有一定的了解。与这些系统不同，Linux的命令行是通过一种叫做SHELL的程序提供。SHELL程序负责接收用户的输入，解析用户输入的命令和参数，调用相应的程序，并给出结果和出错提示[5]。常用SHELL指令如图4.2所示。

图4.2 常用SHELL指令

4.3 通过SHELL指令操作GPIO

根据前文描述，本系统配置的GPIO出入探测口是PE4和PE5。如果想验证这两个端口是否配置成功，可以将Cubieboard连接PC，通过adb指令对设备进行访问。图4.3显示了进入指定目录查看配置结果的命令，命令解释如下：

adb devices：查看已连接的Android设备
adb shell：登录Android设备，获取设备的控制权

图4.3 验证配置信息

通过SHELL指令cd进入/sys/class/gpio_sw目录后，若该目录下有链接文件PE4、PE5则证明配置读取成功，反之失败。由于PE4、PE5只是链接文件，要获取端口的值需要打开这个链接文件链接到的目录。使用cd指令打开目录，使用ls -l指令查看该目录下的文件，得到如图4.4所示的目录结构。

图4.4 已配置的GPIO口文件目录

由图4.4可知，cfg、data、drv、pull的文件类型均为[-]，即为一般文件，可读写。在2.2节曾介绍过和GPIO相关的四种类型的寄存器，以上四个文件就是这些寄存器的端口映射文件，因而可通过echo和cat指令读写文件，如图4.5所示。根据图1.1所述的电气原理图，设备在断开情况下，GPIO口应为高电平，与cat指令获取的结果一致。

图4.5 读取GPIO口的值

5 通过Android应用控制GPIO

由于Cubieboard2官方提供的镜像已经过root，所以程序中可以通过打开shell进程来执行shell指令，和第4节提供的读取GPIO引脚值的方式相同，关键代码块如图5.1所示。
readinput函数中先打开了shell进程，然后创建了和shell进程交换数据的数据输出流。执行完cat指令后建立和shell进程交换数据的数据输入流，把返回的结果读入。

图5.1 读取GPIO的关键Android代码

6 总结

本文虽然只介绍了Cubieboard下的GPIO操作，但是其中用到的思想以及很多资料都可以推广到其他外设的操作中，比如引脚功能该如何配置，如何通过shell指令操作外设寄存器等。经实践验证，这种直接操作底层硬件的读取方式大大提升了检测效率。如工厂中有MES系统，Android应用可直接通过Webservice对静电测试结果进行记录，提升工厂的信息化水平和管理水平。

7 参考文献

[1]. 全志科技. A20_Script和GPIO开发说明书_V2.1[M]. 网络发行: 2014, 2-63
[2]. 全志科技. A20 User Manual Revision 1.0[M]. 网络发行: 2013, 240-306
[3]. 方糖科技. Cubieboard2原理图[M].
[4]. 全志科技. PhoenixSuit使用说明文档[M].
[5]. 弓雷等. ARM嵌入式Linux系统开发详解[M]. 清华大学出版社: 2014, 51