基于Linux的嵌入式系统在测控系统中的设计

摘  要：针对当前工业控制领域对测控系统提出的将测控分散到现场、实现远程监控的要求，给出了一种应用于测控系统的基于Linux的嵌入式系统的设计方案，能保证测控任务完成的实时性、可靠性，可以连到工业以太网，实现远程监控，在工业控制领域有很好的应用前景。
关键词：嵌入式系统；Linux；测控系统；网络控制；工业以太网
   0  引  言
       当前，在工业控制领域，网络控制技术快速发展。网络控制要求测控系统必须具备两方面的功能：一方面要在现场完成复杂的测控任务，通常一些任务具有一定的实时性的要求；另一方面要求测控系统能够与某一类型的控制网相连，实现远程监控。而在目前应用的大多数测控系统中，嵌入式系统的硬件采用8/16位的单片机；软件多采用汇编语言编程，仅包含一个简单的循环处理的控制流程；单片机与单片机或上位机之间通信通过RS232、RS485来组网。这些网络存在通信速度慢、联网功能差、开发困难的问题。而工业以太网已逐步完善，在工业控制领域获得越来越多的应用。工业以太网使用了TCP/IP协议，便于联网，并具有高速控制网络的优点。现在，32位嵌入式CPU价格的下降，性能指标的提高，为嵌入式系统的广泛应用提供了可能性。基于上述情况，我们将嵌入式系统应用于测控系统，可大大提高测控系统的性能，嵌入式系统一般应用嵌入式操作系统来开发。在嵌入式操作系统的选择上，由于Linux有完整开放的源代码，可针对具体应用修改和优化系统，内核稳定，适用于多种CPU和多种硬件平台，支持网络等特点，因而选择Linux作为嵌入式操作系统。
   1  测控系统总体设计
   1.1  设计目标
       测控系统以基于Linux的嵌入式系统为核心，设计目标归纳起来主要有以下几点：
   (1)测控任务在现场完成。测控系统采用分散的控制策略，系统正常运行时上位机只起到状态监控的作用。在工业现场完成数据测量、数据处理、过程控制等多种任务，能确保一些任务完成的实时性。
   (2)具有一定的自诊断、自校正的功能，将故障情况上传给上位机，便于维护人员查错、排错。具有动态显示和数据存储能力。
   (3)测控系统可连到工业以太网，通过工业以太网实现远程监控。
   1.2  技术路线
       嵌入式系统以嵌入式微处理器为核心，运行嵌入式Linux 操作系统。应用程序可通过网络进行更新；通过键盘进行人机对话；数据可通过LCD现场显示；重要数据可以文件形式保存在Flash存储器中；数据和报警信息可通过串口向上位机传输，也可通过以太网口向工业以太网或Inernet发布信息，用户通过显示界面查看设备状态，设置设备参数，实现远程监控、远程维护。
   1.3  总体框图
   
   图1  系统框图
   
   2  基于Linux的嵌入式系统的设计
   2.1  硬件设计
       考虑一般测控系统对嵌入式系统要求比较多的功能有：键盘接口、显示接口、A/D(或D/A)转换单元、可扩展的I/O接口、打印机接口、与PC机通信的串行接口、以太网口等。实现的嵌入式系统硬件框图如下：
   
   图2  硬件框图
       针对测控系统的应用，选择Motorola的Coldfire系列的MCF5307.MCF5307是一款高性能、低价位、高集成度的微处理器，为嵌入式控制应用而设计。MCF5307的处理能力达70 MIPS，工作频率88.47 MHz，总线频率44.236 MHz，为运行Linux提供硬件上的支持，在开发板上还集成有16 M的SDRAM、2 M的FLASH、10 baseT以太网接口、RS232/RS485串口、I/O接口等。
   2.2  软件设计
       嵌入式操作系统是整个嵌入式系统的核心。我们选择Linux，但典型的Linux是为桌面配置的，内核十分庞大，而嵌入式系统的RAM存储容量很小，因此，要把Linux操作系统装入有限的内存，就要对它进行裁剪，在裁剪过程中涉及的主要技术有：
   (1) 内核的精简。标准Linux是面向PC的，集成了许多PC需要而嵌入式系统并不需要的功能。对一些可独立加上或卸下的功能块，可在编译内核时，仅保留嵌入式系统所需的功能支持模块，删除不需要的功能。例如，测控系统要连入以太网，就要提供对TCP/IP的支持，编译时加上TCP/IP栈；而SCSI、 Floppy之类的外设在我们的嵌入式系统中完全没有必要，编译时可去掉。这样，重新编译过的内核显着减小。
   (2) 虚拟内存机制的屏蔽。经过分析发现，虚拟内存是导致Linux实时性不强的原因之一。在工业控制中一些任务要满足一定的实时性的要求，屏蔽内核的虚拟内存管理机制可以增强Linux的实时性。当要更改内核的某项机制时，一般不必大规模的改写代码，可采用条件编译的方法。思路是用#ifdef或 #ifndef屏蔽现有语句，在#else宏编译语句中包括自己编写的代码。实现虚拟内存的机制有：地址映射机制、内存分配和回收机制，缓存和刷新机制、请页机制、交换机制、内存共享机制，将实现这些机制的数据结构和函数屏蔽或修改，还要修改与之相关的文件。需要改动的文件主要在 /include/linux、/mm、/drivers/char、/fs、/ipc/kernel、/init目录下。主要的改动如下：与虚存有关的主要的数据结构是vm_area_struct，将进程的mm_struct结构中的vm_area_struct去掉，vm_area_struct利用了vm_ops来抽象出对虚拟内存的处理方法，屏蔽与虚拟内存操作有关的函数。内存映射主要由do_mmap()实现，改写此函数的代码。取消交换操作，屏蔽用于交换的结构和函数声明，以及实现交换的代码。取消内核守护进程kswapd.
   (3) 设备驱动程序的编写。确定了内核的基本功能后，就要为特定的设备编写驱动程序，可按照在Linux下编写驱动程序的规则编写。编写的设备驱动程序应具有以下功能：①对设备初始化和释放；②把数据从内核传到硬件和从硬件读取数据；③读取应用程序传递给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据；④检测和处理设备出现的错误。
       实现上述步骤后，一个小型的Linux 操作系统就构造完成了。构造后的Linux包括进程管理、内存管理和文件管理，支持多任务并行；开发基于闪存的文件系统，应用程序和重要数据以文件的形式被存放在闪存文件系统中；有完整的TCP/IP协议栈，Linux内建有对以太网控制器的支持，可以通过以太网口连到工业以太网上，实现远程监控。
       还要将裁剪好的内核移植到所用的目标板上，通常移植内核时，首先要将内核编译成针对该处理器的目标代码。而我们所用的嵌入式微处理器MCF5307 是ColdFire系列，它有一些不同于其它CPU的地方，一些内核程序要改写，涉及到编写Linux的引导代码和修改与体系结构相关部分的代码，主要是内存管理和中断处理部分。将Flash作为系统的启动设备，引导代码放在Flash上。系统加电后，由引导代码进行基本的硬件初始化，然后把内核映象装入内存运行。
       对于应用程序的开发，针对测控系统的具体应用，利用Linux 提供API接口开发应用程序。测控系统要完成多个任务，因为屏蔽了虚拟内存机制，所有的任务共同享有物理内存，存在于统一的线性空间中。任务中的地址为真正的物理地址，由于不需要进行地址空间映射，在任务切换时的上下文切换时间大大减少，提高了响应的速度，实时性增强。Linux采用基于优先级的轮转法调度策略，能够实现多个任务并行。各个任务的实时性要求不同，可通过划分优先级，使实时性要求高的任务划分为实时进程，具有较高的优先级，优先得到调度，保证一定的实时性的要求。任务间通过信号量、消息队列等机制通信。
       在嵌入式系统中软件开发的主要模块有：数据采集模块，数据处理模块，数据显示模块，通信和数据发布模块，故障诊断模块。其中故障诊断模块实现实时自诊断，在系统工作期间，对系统内部进行部分测试。即将诊断程序设置在嵌入式系统中中断级别最低的中断服务程序，在不影响系统工作的前提下，进行实时诊断。如发现故障且复诊后仍有错，通过显示界面显示，并上传给上位机，保证系统的可靠性。
       在嵌入式Linux的开发中，采用主-从模式，通过串行口或以太网口，使目标板和宿主机相连。使用的是GNU的系列工具，GNU具有免费开放的源代码，也为我们开发基于Linux的应用程序提供了方便。它包括一系列的开发调试工具。主要组件有：
   gcc：编译器，可做成交叉编译的形式，即在宿主机上开发编译目标机上可运行的二进制文件；
   Binutils：一些辅助工具，包括objdump(可以反编译二进制文件)、as(汇编编译器)、ld(连接器)等等；
   Gdb：调试器，可使用多种交叉调试方式，如gdbserve(使用以太网络调试)。
       最后，将调试好的内核和应用程序烧录到闪存中。裁剪后的Linux已成经功移植到目标平台上，在开发板上运行良好。经过测试，已满足一般的实时性要求。
   3  结  论
       我们开发的基于Linux 的嵌入式系统应用于测控系统，能满足当前工业控制领域对测控系统提出的要求，保证测控任务完成的实时性、可靠性，可连到工业以太网实现远程监控。其硬件，接口采用插板的形式，结构简单，易于装卸，方便系统集成和维护。软件方面，用户可针对具体应用作相应修改或删除即可，因而提高了测控系统的开发效率，在工业控制领域有很好的应用前景。
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