基于Linux的嵌入式工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1、前言

隨著網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)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(lǐng)域獲得越來(lái)越廣泛的應(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(diǎn)。隨著32位嵌入式CPU價(jià)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(yīng)用領(lǐng)域的特點(diǎn)對(duì)它進(jìn)行定制開發(fā)，以滿足實(shí)際應(yīng)用需要。

2、基于Linux的嵌入式系統(tǒng)在測(cè)控系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)本質(zhì)上就是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，為了對(duì)被控對(duì)象實(shí)施控制，對(duì)其參數(shù)和狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)是必不可少的。

2.1 測(cè)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)以基于Linux的嵌入式系統(tǒng)為核心，應(yīng)用程序可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更新，通過(guò)鍵盤進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，數(shù)據(jù)可通過(guò)LCD現(xiàn)場(chǎng)顯示。重要數(shù)據(jù)可以文件形式保存在Flash存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)和報(bào)警信息還可通過(guò)串口向上位機(jī)傳輸，也可通過(guò)以太網(wǎng)口向Inernet發(fā)布信息。用戶通過(guò)顯示界面查看設(shè)備狀態(tài)，設(shè)置設(shè)備參數(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程維護(hù)。

2.2 總體框圖[1]

2.3 嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.3.1 硬件框圖

考慮一般測(cè)控系統(tǒng)對(duì)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(kuò)展的UO接口、打印機(jī)接口、與PC機(jī)通信的串行接口、以太網(wǎng)口等。實(shí)現(xiàn)的嵌入式系統(tǒng)硬件框圖如圖2-2所示[3]:

2.3.2 Linux下設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)

Linux系統(tǒng)中，內(nèi)核提供保護(hù)機(jī)制，用戶空間的進(jìn)程一般不能直接訪問(wèn)硬件。Linux設(shè)備被抽象出來(lái)，所有設(shè)備都看成文件。用戶進(jìn)程通過(guò)文件系統(tǒng)的接口訪問(wèn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要完成如下功能:

①探測(cè)設(shè)備和初始化設(shè)備；②從設(shè)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(shè)備；④檢測(cè)和處理設(shè)備錯(cuò)誤。

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

3.1 RTAI實(shí)時(shí)硬件抽象層的實(shí)現(xiàn)機(jī)理

引入新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)rt_hal，形成了實(shí)時(shí)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(guān)中斷函數(shù)*/
Linux_sti, /*開中斷函數(shù)*/
Linux_save_flags, /*保存中斷前的標(biāo)志*/
Linux_restore_flags, /*恢復(fù)中斷前的標(biāo)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(shè)置*/
io_apic_irgs,
irq_controller_lock,
irq_desc,
irq_vector,
(), /*在io_apic.c文件中設(shè)置*/
ret_from_imr,
gdt_table, /*全局描述符表*/
idle_weight,
()
};

初始化rthal時(shí)，指向函數(shù)的指針變量指向?qū)崿F(xiàn)原來(lái)標(biāo)準(zhǔn)Linux中開、關(guān)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(dāng)加載RTAI模塊時(shí)，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(shí)現(xiàn)的同名函數(shù)，在RTAI中實(shí)現(xiàn)的關(guān)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(guān)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(dāng)執(zhí)行關(guān)中斷時(shí)，只是將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)processor中的中斷標(biāo)志位intr_flag設(shè)為0，而不是真正的清除eflags寄存器的IF標(biāo)志來(lái)關(guān)中斷，解決了Linux中長(zhǎng)期關(guān)中斷的問(wèn)題。

3.2 采用RTAI增強(qiáng)Linux實(shí)時(shí)性的實(shí)現(xiàn)[4]

通過(guò)修改Linux內(nèi)核相關(guān)的源文件，形成實(shí)時(shí)硬件抽象層。執(zhí)行insmod命令，掛載上提供實(shí)時(shí)服務(wù)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(yīng)用程序需要的RTAI模塊后，就可以在RTAI-Linux環(huán)境下開發(fā)應(yīng)用程序。

3.3 基于RTAI-Linux的應(yīng)用程序的開發(fā)

針對(duì)工業(yè)測(cè)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(yīng)用，將應(yīng)用程序分為實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)。實(shí)時(shí)任務(wù)利用RTAI提供的API來(lái)開發(fā)，編寫成內(nèi)核模塊，工作在Linux的核心態(tài)。用戶進(jìn)程可利用Linux操作系統(tǒng)提供的大量資源，進(jìn)行TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信，開發(fā)圖形用戶界面程序等。實(shí)時(shí)任務(wù)之間、實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)之間可通過(guò)Fifo隊(duì)列和共享內(nèi)存等方法通信。RTAI-Linux應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。

數(shù)據(jù)采集任務(wù)的實(shí)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(shí)時(shí)FIFO中*/
rt_task_wait_period();
}
int int_module(void)
rtime tick_period;
rt_set_periodic_mode(); /*將定時(shí)器設(shè)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(wù)*/
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(shí)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(jìn)程從實(shí)時(shí)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(yīng)用于測(cè)控系統(tǒng)的基于Linux的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，能保證測(cè)控任務(wù)完成的實(shí)時(shí)性、可靠性，可以連到工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)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。

本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)：在嵌入式系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)上，提供了開發(fā)實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的接口；利用實(shí)時(shí)應(yīng)用接口(RTAI)來(lái)增強(qiáng)Linux的實(shí)時(shí)性，并引入實(shí)時(shí)硬件抽象層結(jié)構(gòu)(rthal)、實(shí)時(shí)調(diào)度器、實(shí)時(shí)FIFO等實(shí)時(shí)服務(wù)；給出了在RTAI-Linux環(huán)境下開發(fā)工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的方法