基于Linux的嵌入式系統(tǒng)在測控系統(tǒng)中的設(shè)計

摘 要：針對當(dāng)前工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)y控系統(tǒng)提出的將測控分散到現(xiàn)場、實現(xiàn)遠(yuǎn)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(yuǎn)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(dāng)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(yuǎn)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(biāo)的提高，為嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用提供了可能性。基于上述情況，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(biāo)

測控系統(tǒng)以基于Linux的嵌入式系統(tǒng)為核心，設(shè)計目標(biāo)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(yuǎn)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(jìn)行更新；通過鍵盤進(jìn)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(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)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(dá)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yuǎn)程監(jiān)控。

還要將裁剪好的內(nèi)核移植到所用的目標(biāo)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(biāo)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(biāo)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(biāo)機上可運行的二進(jìn)制文件；

Binutils：一些輔助工具，包括objdump(可以反編譯二進(jìn)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(biāo)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(dāng)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(yuǎn)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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