摘  要：針對當前工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/測控系統(tǒng)" title="測控系統(tǒng)" target="_blank">測控系統(tǒng)提出的將測控分散到現(xiàn)場,、實現(xiàn)遠程監(jiān)控的要求,，給出了一種應(yīng)用于測控系統(tǒng)的基于Linux的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計方案,，能保證測控任務(wù)完成的實時性,、可靠性,，可以連到工業(yè)以太網(wǎng),，實現(xiàn)遠程監(jiān)控,，在工業(yè)控制領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng),；Linux,；測控系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)控制,；工業(yè)以太網(wǎng)

0  引  言

    當前,，在工業(yè)控制領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)快速發(fā)展,。網(wǎng)絡(luò)控制要求測控系統(tǒng)必須具備兩方面的功能：一方面要在現(xiàn)場完成復(fù)雜的測控任務(wù),，通常一些任務(wù)具有一定的實時性的要求；另一方面要求測控系統(tǒng)能夠與某一類型的控制網(wǎng)相連,，實現(xiàn)遠程監(jiān)控,。而在目前應(yīng)用的大多數(shù)測控系統(tǒng)中，嵌入式系統(tǒng)的硬件采用8/16位的單片機,；軟件多采用匯編語言編程,，僅包含一個簡單的循環(huán)處理的控制流程；單片機與單片機或上位機之間通信通過RS232,、RS485來組網(wǎng),。這些網(wǎng)絡(luò)存在通信速度慢、聯(lián)網(wǎng)功能差,、開發(fā)困難的問題,。而工業(yè)以太網(wǎng)已逐步完善，在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得越來越多的應(yīng)用,。工業(yè)以太網(wǎng)使用了TCP/IP協(xié)議,，便于聯(lián)網(wǎng)，并具有高速控制網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點?，F(xiàn)在,，32位嵌入式CPU價格的下降,，性能指標的提高，為嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用提供了可能性,?；谏鲜銮闆r，我們將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于測控系統(tǒng),，可大大提高測控系統(tǒng)的性能,，嵌入式系統(tǒng)一般應(yīng)用嵌入式操作系統(tǒng)來開發(fā)。在嵌入式操作系統(tǒng)的選擇上,，由于Linux有完整開放的源代碼,，可針對具體應(yīng)用修改和優(yōu)化系統(tǒng)，內(nèi)核穩(wěn)定,，適用于多種CPU和多種硬件平臺，支持網(wǎng)絡(luò)等特點,，因而選擇Linux作為嵌入式操作系統(tǒng),。

1  測控系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1  設(shè)計目標

    測控系統(tǒng)以基于Linux的嵌入式系統(tǒng)為核心，設(shè)計目標歸納起來主要有以下幾點：

(1)測控任務(wù)在現(xiàn)場完成,。測控系統(tǒng)采用分散的控制策略,，系統(tǒng)正常運行時上位機只起到狀態(tài)監(jiān)控的作用。在工業(yè)現(xiàn)場完成數(shù)據(jù)測量,、數(shù)據(jù)處理,、過程控制等多種任務(wù)，能確保一些任務(wù)完成的實時性,。

(2)具有一定的自診斷,、自校正的功能，將故障情況上傳給上位機,，便于維護人員查錯,、排錯。具有動態(tài)顯示和數(shù)據(jù)存儲能力,。

(3)測控系統(tǒng)可連到工業(yè)以太網(wǎng),，通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

1.2  技術(shù)路線

    嵌入式系統(tǒng)以嵌入式微處理器為核心,，運行嵌入式Linux 操作系統(tǒng),。應(yīng)用程序可通過網(wǎng)絡(luò)進行更新；通過鍵盤進行人機對話,；數(shù)據(jù)可通過LCD現(xiàn)場顯示,；重要數(shù)據(jù)可以文件形式保存在Flash存儲器中；數(shù)據(jù)和報警信息可通過串口向上位機傳輸,，也可通過以太網(wǎng)口向工業(yè)以太網(wǎng)或Inernet發(fā)布信息,，用戶通過顯示界面查看設(shè)備狀態(tài),，設(shè)置設(shè)備參數(shù)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控,、遠程維護,。

1.3  總體框圖

圖1  系統(tǒng)框圖

2  基于Linux的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計

2.1  硬件設(shè)計

    考慮一般測控系統(tǒng)對嵌入式系統(tǒng)要求比較多的功能有：鍵盤接口、顯示接口,、A/D(或D/A)轉(zhuǎn)換單元,、可擴展的I/O接口、打印機接口,、與PC機通信的串行接口,、以太網(wǎng)口等。實現(xiàn)的嵌入式系統(tǒng)硬件框圖如下：

圖2  硬件框圖

    針對測控系統(tǒng)的應(yīng)用,，選擇Motorola的Coldfire系列的MCF5307.MCF5307是一款高性能,、低價位、高集成度的微處理器,，為嵌入式控制應(yīng)用而設(shè)計,。MCF5307的處理能力達70 MIPS，工作頻率88.47 MHz,，總線頻率44.236 MHz,，為運行Linux提供硬件上的支持，在開發(fā)板上還集成有16 M的SDRAM,、2 M的FLASH,、10 baseT以太網(wǎng)接口、RS232/RS485串口,、I/O接口等,。

2.2  軟件設(shè)計

    嵌入式操作系統(tǒng)是整個嵌入式系統(tǒng)的核心。我們選擇Linux,，但典型的Linux是為桌面配置的,，內(nèi)核十分龐大，而嵌入式系統(tǒng)的RAM存儲容量很小,，因此,，要把Linux操作系統(tǒng)裝入有限的內(nèi)存，就要對它進行裁剪,，在裁剪過程中涉及的主要技術(shù)有：

(1) 內(nèi)核的精簡,。標準Linux是面向PC的，集成了許多PC需要而嵌入式系統(tǒng)并不需要的功能,。對一些可獨立加上或卸下的功能塊,，可在編譯內(nèi)核時，僅保留嵌入式系統(tǒng)所需的功能支持模塊，刪除不需要的功能,。例如,，測控系統(tǒng)要連入以太網(wǎng)，就要提供對TCP/IP的支持,，編譯時加上TCP/IP棧,；而SCSI、 Floppy之類的外設(shè)在我們的嵌入式系統(tǒng)中完全沒有必要,，編譯時可去掉,。這樣，重新編譯過的內(nèi)核顯著減小,。

(2) 虛擬內(nèi)存機制的屏蔽,。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，虛擬內(nèi)存是導(dǎo)致Linux實時性不強的原因之一,。在工業(yè)控制中一些任務(wù)要滿足一定的實時性的要求,，屏蔽內(nèi)核的虛擬內(nèi)存管理機制可以增強Linux的實時性。當要更改內(nèi)核的某項機制時,，一般不必大規(guī)模的改寫代碼,，可采用條件編譯的方法。思路是用#ifdef或 #ifndef屏蔽現(xiàn)有語句,，在#else宏編譯語句中包括自己編寫的代碼。實現(xiàn)虛擬內(nèi)存的機制有：地址映射機制,、內(nèi)存分配和回收機制,，緩存和刷新機制、請頁機制,、交換機制,、內(nèi)存共享機制，將實現(xiàn)這些機制的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)屏蔽或修改,，還要修改與之相關(guān)的文件,。需要改動的文件主要在 /include/linux、/mm,、/drivers/char,、/fs、/ipc/kernel,、/init目錄下,。主要的改動如下：與虛存有關(guān)的主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是vm_area_struct，將進程的mm_struct結(jié)構(gòu)中的vm_area_struct去掉,，vm_area_struct利用了vm_ops來抽象出對虛擬內(nèi)存的處理方法,，屏蔽與虛擬內(nèi)存操作有關(guān)的函數(shù)。內(nèi)存映射主要由do_mmap()實現(xiàn)，改寫此函數(shù)的代碼,。取消交換操作,，屏蔽用于交換的結(jié)構(gòu)和函數(shù)聲明，以及實現(xiàn)交換的代碼,。取消內(nèi)核守護進程kswapd.

(3) 設(shè)備驅(qū)動程序的編寫,。確定了內(nèi)核的基本功能后，就要為特定的設(shè)備編寫驅(qū)動程序,，可按照在Linux下編寫驅(qū)動程序的規(guī)則編寫,。編寫的設(shè)備驅(qū)動程序應(yīng)具有以下功能：①對設(shè)備初始化和釋放；②把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù),；③讀取應(yīng)用程序傳遞給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請求的數(shù)據(jù),；④檢測和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯誤。

    實現(xiàn)上述步驟后,，一個小型的Linux 操作系統(tǒng)就構(gòu)造完成了,。構(gòu)造后的Linux包括進程管理、內(nèi)存管理和文件管理,，支持多任務(wù)并行,；開發(fā)基于閃存的文件系統(tǒng)，應(yīng)用程序和重要數(shù)據(jù)以文件的形式被存放在閃存文件系統(tǒng)中,；有完整的TCP/IP協(xié)議棧,，Linux內(nèi)建有對以太網(wǎng)控制器的支持，可以通過以太網(wǎng)口連到工業(yè)以太網(wǎng)上,，實現(xiàn)遠程監(jiān)控,。

    還要將裁剪好的內(nèi)核移植到所用的目標板上，通常移植內(nèi)核時,，首先要將內(nèi)核編譯成針對該處理器的目標代碼,。而我們所用的嵌入式微處理器MCF5307 是ColdFire系列，它有一些不同于其它CPU的地方,，一些內(nèi)核程序要改寫,，涉及到編寫Linux的引導(dǎo)代碼和修改與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)部分的代碼，主要是內(nèi)存管理和中斷處理部分,。將Flash作為系統(tǒng)的啟動設(shè)備,，引導(dǎo)代碼放在Flash上。系統(tǒng)加電后,，由引導(dǎo)代碼進行基本的硬件初始化,，然后把內(nèi)核映象裝入內(nèi)存運行。

    對于應(yīng)用程序的開發(fā),，針對測控系統(tǒng)的具體應(yīng)用,，利用Linux 提供API接口開發(fā)應(yīng)用程序,。測控系統(tǒng)要完成多個任務(wù)，因為屏蔽了虛擬內(nèi)存機制,，所有的任務(wù)共同享有物理內(nèi)存,，存在于統(tǒng)一的線性空間中。任務(wù)中的地址為真正的物理地址,，由于不需要進行地址空間映射,，在任務(wù)切換時的上下文切換時間大大減少，提高了響應(yīng)的速度,，實時性增強,。Linux采用基于優(yōu)先級的輪轉(zhuǎn)法調(diào)度策略，能夠?qū)崿F(xiàn)多個任務(wù)并行,。各個任務(wù)的實時性要求不同,，可通過劃分優(yōu)先級，使實時性要求高的任務(wù)劃分為實時進程,，具有較高的優(yōu)先級,，優(yōu)先得到調(diào)度，保證一定的實時性的要求,。任務(wù)間通過信號量,、消息隊列等機制通信。

    在嵌入式系統(tǒng)中軟件開發(fā)的主要模塊有：數(shù)據(jù)采集模塊,，數(shù)據(jù)處理模塊,，數(shù)據(jù)顯示模塊，通信和數(shù)據(jù)發(fā)布模塊,，故障診斷模塊,。其中故障診斷模塊實現(xiàn)實時自診斷，在系統(tǒng)工作期間,，對系統(tǒng)內(nèi)部進行部分測試。即將診斷程序設(shè)置在嵌入式系統(tǒng)中中斷級別最低的中斷服務(wù)程序,，在不影響系統(tǒng)工作的前提下,，進行實時診斷。如發(fā)現(xiàn)故障且復(fù)診后仍有錯,，通過顯示界面顯示,，并上傳給上位機，保證系統(tǒng)的可靠性,。

    在嵌入式Linux的開發(fā)中,，采用主—從模式，通過串行口或以太網(wǎng)口,，使目標板和宿主機相連,。使用的是GNU的系列工具，GNU具有免費開放的源代碼，也為我們開發(fā)基于Linux的應(yīng)用程序提供了方便,。它包括一系列的開發(fā)調(diào)試工具,。主要組件有：

gcc：編譯器，可做成交叉編譯的形式,，即在宿主機上開發(fā)編譯目標機上可運行的二進制文件,；

Binutils：一些輔助工具，包括objdump(可以反編譯二進制文件),、as(匯編編譯器),、ld(連接器)等等；

Gdb：調(diào)試器,，可使用多種交叉調(diào)試方式,，如gdbserve(使用以太網(wǎng)絡(luò)調(diào)試)。

    最后,，將調(diào)試好的內(nèi)核和應(yīng)用程序燒錄到閃存中,。裁剪后的Linux已成經(jīng)功移植到目標平臺上，在開發(fā)板上運行良好,。經(jīng)過測試,，已滿足一般的實時性要求。

3  結(jié)  論

    我們開發(fā)的基于Linux 的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于測控系統(tǒng),，能滿足當前工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)y控系統(tǒng)提出的要求,，保證測控任務(wù)完成的實時性、可靠性,，可連到工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)遠程監(jiān)控,。其硬件，接口采用插板的形式,，結(jié)構(gòu)簡單,，易于裝卸，方便系統(tǒng)集成和維護,。軟件方面,，用戶可針對具體應(yīng)用作相應(yīng)修改或刪除即可，因而提高了測控系統(tǒng)的開發(fā)效率,，在工業(yè)控制領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景,。

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