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基于Linux的嵌入式工業(yè)測控系統(tǒng)
微計算機信息
黃孝平 牛秦洲 文芳一
摘要: 基于Linux的嵌入式工業(yè)測控系統(tǒng),該文針對當前工業(yè)控制領域網(wǎng)絡控制技術的快速發(fā)展,,給出了一種應用于測控系統(tǒng)的基于Linux的嵌入式系統(tǒng)的設計方案。
Abstract:
Key words :

文  摘:該文針對當前工業(yè)控制領域網(wǎng)絡控制技術的快速發(fā)展,給出了一種應用于測控系統(tǒng)的基于Linux的嵌入式系統(tǒng)的設計方案,。利用Linux自身提供的條件編譯系統(tǒng),初步解決了Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)面臨的一些問題,。并利用實時應用接口(RTAI)來增強Linux的實時性,,引入實時硬件抽象層結(jié)構(gòu)(RTHAL),利用Linux的內(nèi)核模塊機制提供實時服務和完成實時任務,,解決了Linux實時性不足的問題,。通過數(shù)據(jù)采集程序的實現(xiàn)給出了在RTAI-Linux環(huán)境下開發(fā)實時應用程序的設計方法。
關鍵詞:Linux,;嵌入式系統(tǒng),;測控系統(tǒng);實時操作系統(tǒng),;RTAI

1,、前言

    隨著網(wǎng)絡控制技術的快速發(fā)展,工業(yè)以太網(wǎng)得到逐步完善,,在工業(yè)控制領域獲得越來越廣泛的應用,。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)絡的優(yōu)點,。隨著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)的廣泛應用和Linux在嵌入式系統(tǒng)中的發(fā)展提供了廣闊的空間,。由于Linux的高度靈活性,,可以容易地根據(jù)應用領域的特點對它進行定制開發(fā),以滿足實際應用需要,。

2,、基于Linux的嵌入式系統(tǒng)在測控系統(tǒng)中的設計

    計算機測控系統(tǒng)本質(zhì)上就是計算機控制系統(tǒng),為了對被控對象實施控制,,對其參數(shù)和狀態(tài)進行檢測是必不可少的,。

2.1 測控系統(tǒng)整體設計

    測控系統(tǒng)以基于Linux的嵌入式系統(tǒng)為核心,應用程序可通過網(wǎng)絡進行更新,,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)和報警信息還可通過串口向上位機傳輸,,也可通過以太網(wǎng)口向Inernet發(fā)布信息。用戶通過顯示界面查看設備狀態(tài),,設置設備參數(shù),,實現(xiàn)遠程監(jiān)控、遠程維護,。

2.2 總體框圖[1]

圖2-1 嵌入式系統(tǒng)總體框圖

2.3 嵌入式系統(tǒng)硬件設計

2.3.1 硬件框圖

    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UO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)硬件框圖如圖2-2所示[3]:

圖2-2 嵌入式系統(tǒng)硬件框圖

2.3.2 Linux下設備驅(qū)動程序的開發(fā)

    Linux系統(tǒng)中,內(nèi)核提供保護機制,,用戶空間的進程一般不能直接訪問硬件,。Linux設備被抽象出來,所有設備都看成文件,。用戶進程通過文件系統(tǒng)的接口訪問設備驅(qū)動程序,,設備驅(qū)動程序主要完成如下功能:

    ①探測設備和初始化設備;②從設備接受數(shù)據(jù)并提交給內(nèi)核,;③從內(nèi)核接受數(shù)據(jù)送到設備,;④檢測和處理設備錯誤。

3,、基于 RTAI-Linux的嵌入式系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

3.1 RTAI實時硬件抽象層的實現(xiàn)機理

    引入新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)rt_hal,,形成了實時硬件抽象層RTHAL(Real Time Hardware Abatract Layer),rt_hal結(jié)構(gòu)體的定義如下:

struct rt_hal

{

struct desc_struct*idt table;

void(*disint)(void);

void(*enint)(void);

unsigned int(*getflags)(void);

void(*setflags)(unsigned int flags);

void(*mask_and_ack_8259A)(unsigned int irq);

void(*unmask_8259A_irq)(unsigned int irq);

void(*ack_APIC_irq)(void);

void(*mask_IO_APIC_irq)(unsigned int irq);

void(*unmask_I0_APIC_irq)(unsigned int irq);

unsigned long *Io_apic_irgs;

void*irq_controller_lock;

void*irq_desc;

int *irq_vector;

void *irq_2_pin;

void* ret_from_intr;

struct desc_struct *gdt_table;

volatile int*idle_weight;

void (*lxrt_cli)(void);

};

在usr/src/Linux/arch/i386/kernel/irq.c中初始化為rthal:

struct rt_hal rthal

{

idt_table,           /*中斷向量表*/

Linux_cli,           /*關中斷函數(shù)*/

Linux_sti,           /*開中斷函數(shù)*/

Linux_save_flags,    /*保存中斷前的標志*/

Linux_restore_flags, /*恢復中斷前的標志*/

Task_and_ack_8259A,  /*中斷屏蔽*/

Enable_8259A_irq,    /*中斷使能*/

Linux_ack_APIC_irq,

(),                  /*在io_apic.c文件中設置*/

&io_apic_irgs,

&irq_controller_lock,

irq_desc,

irq_vector,

(),                 /*在io_apic.c文件中設置*/

&ret_from_imr,

gdt_table,          /*全局描述符表*/

&idle_weight,

()

};

    初始化rthal時,指向函數(shù)的指針變量指向?qū)崿F(xiàn)原來標準Linux中開、關中斷等功能的函數(shù)如下:

static void linux_cli(void)

{

hard_cli();

}

static void linux_sti(void)

{

hard_sti();

}

static unsigned int linux_save_flags(void)

{

int flags;

hard_save_flags(flags)

turn flags

}

static void linux_restore_flags(unsigned int flags)

{

hard_restore_flags(flags);

}

    當加載RTAI模塊時,,執(zhí)行rt_mount_rtai函數(shù)如下:

void rt_mountes_rtai(void)

{

rthal.disint=linux_cli;

rthal.enint=linux_sti;

rthal.getflags=linux_save_flags;

rthal.setflags=linux_restore_flags;

rthal.mask_and_ack_8259A=trpd_mask_and_ack_irq;

rthal.unmask_8259A_irq=trpd_unmask_irq;

}

    rthal中指向函數(shù)的指針變量指向了RTAI中實現(xiàn)的同名函數(shù),,在RTAI中實現(xiàn)的關中斷函數(shù)如下:

static void linux_cli(void)

{

processor[hard_cpu_id()].intr_flag=0;

}

    在RTAI中引入新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)processor,描述和中斷有關的處理器的狀態(tài):

static struct cpu_own_status

{

volatile unsigned int intr_flag;

volatile unsigned int linux_intr_flag;

volatile unsigned int pending_irqs;

volatile unsigned int activ_irqs;

}

processor[NR_RT_CPUS];

    當執(zhí)行關中斷時,,只是將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)processor中的中斷標志位intr_flag設為0,,而不是真正的清除eflags寄存器的IF標志來關中斷,解決了Linux中長期關中斷的問題,。

3.2 采用RTAI增強Linux實時性的實現(xiàn)[4]

    通過修改Linux內(nèi)核相關的源文件,,形成實時硬件抽象層。執(zhí)行insmod命令,,掛載上提供實時服務的rtai,rtai_sched,rtai_fifos模塊,,得到如下信息[2]:

Linux tick at 100Hz

Calibrated cpu frequency 551268530Hz

Calibrated 8254-timer-interrupt-to-scheduler latency 8000ns

Calibrated one shot setup time 3000ns

Module      Size   Used   by

rtai_sched  16608  0      unused

rtai_fifos  33468  0      unused

rtai        20728  1      (rati_sched rtai-fifos)

    加載上應用程序需要的RTAI模塊后,就可以在RTAI-Linux環(huán)境下開發(fā)應用程序,。

3.3 基于RTAI-Linux的應用程序的開發(fā)

   針對工業(yè)測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集,、數(shù)據(jù)處理、控制,、通信等具體應用,,將應用程序分為實時任務和非實時任務。實時任務利用RTAI提供的API來開發(fā),,編寫成內(nèi)核模塊,,工作在Linux的核心態(tài)。用戶進程可利用Linux操作系統(tǒng)提供的大量資源,,進行TCP/IP網(wǎng)絡通信,開發(fā)圖形用戶界面程序等,。實時任務之間,、實時任務和非實時任務之間可通過Fifo隊列和共享內(nèi)存等方法通信。RTAI-Linux應用程序結(jié)構(gòu)如圖3-1所示,。

圖3-1 RTAI-Linux應用程序結(jié)構(gòu)圖

    數(shù)據(jù)采集任務的實現(xiàn)在rt_process.c中的主要函數(shù)如下:

static void data_collect()

{

rtf_put(FIFO,&data_value,sizeof(data_value);/*將采集的數(shù)據(jù)放入實時FIFO中*/

rt_task_wait_period();

}

int int_module(void)

rtime tick_period;

rt_set_periodic_mode(); /*將定時器設置為周期模式*/

rt_task_init(&rt_task,data_collect,l,Stack_size,task_priority,1,0);/*初始化數(shù)據(jù)采集任務*/

return ()

}

void cleanup_module(void)

{

stop_rt_timer();

rtf_destroy(FIFO);

rt_task_delete(&rt_task);

return;

}

數(shù)據(jù)顯示程序的實現(xiàn)在disaplay.c中的主要函數(shù):

int main(void)

{

if((fifo=open("/dev/rtf()",()_rdonly))<0)

{

fprintf(stderr,"Error opening/dev/rtf() ");

exit(1);

}

read(fifo,&data_value,sizeof(data_value));/*用戶進程從實時FIFO中讀取數(shù)據(jù)*/

printf("data%f ",data_value)

}

 

4,、結(jié)論

    本文給出了一種應用于測控系統(tǒng)的基于Linux的嵌入式系統(tǒng)的設計方案,能保證測控任務完成的實時性,、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)控制領域有很好的應用前景,。

    本文作者的創(chuàng)新點:在嵌入式系統(tǒng)軟件的設計與實現(xiàn)上,提供了開發(fā)實時應用程序的接口,;利用實時應用接口(RTAI)來增強Linux的實時性,,并引入實時硬件抽象層結(jié)構(gòu)(rthal)、實時調(diào)度器、實時FIFO等實時服務,;給出了在RTAI-Linux環(huán)境下開發(fā)工業(yè)測控系統(tǒng)中實時應用程序的方法,。

參考文獻:
[1] 王躍科等.基于網(wǎng)絡互聯(lián)的分布式測控系統(tǒng)開放體系結(jié)構(gòu)與技術[J].計算機測量與控制,2002.10
[2] 須文波.基于Linux的嵌入式系統(tǒng)在測控系統(tǒng)中的設計與應用[D].江南大學碩士學位論文,,2003.3
[3] 胡在華等.一種新型嵌入式測控網(wǎng)絡的設計與應用[J].微型機與應用,,2002.21
[4] 陳繼榮,黃建華.Linux操作系統(tǒng)實時性分析及改進策略[J].微計算機信息,,2005年第21卷.第11-2期.P67-P69

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