以基于Linux的嵌入式系統(tǒng)為核心的測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(cè)控系統(tǒng)必須具備兩方面的功能：一方面要在現(xiàn)場(chǎng)完成復(fù)雜的測(cè)控任務(wù)，通常一些任務(wù)具有一定的實(shí)時(shí)性的要求；另一方面要求測(cè)控系統(tǒng)能夠與某一類型的控制網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。而在目前應(yīng)用的大多數(shù)測(cè)控系統(tǒng)中，嵌入式系統(tǒng)的硬件采用8/16位的單片機(jī)；軟件多采用匯編語(yǔ)言編程，僅包含一個(gè)簡(jiǎn)單的循環(huán)處理的控制流程；單片機(jī)與單片機(jī)或上位機(jī)之間通信通過(guò)RS232、RS485來(lái)組網(wǎng)。這些網(wǎng)絡(luò)存在通信速度慢、聯(lián)網(wǎng)功能差、開(kāi)發(fā)困難的問(wèn)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(lái)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(diǎn)?，F(xiàn)在，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(cè)控系統(tǒng)，可大大提高測(cè)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(lái)開(kāi)發(fā)。在嵌入式操作系統(tǒng)的選擇上，由于Linux有完整開(kāi)放的源代碼，可針對(duì)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(tái)，支持網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn)，因而選擇Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)。

1 測(cè)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

測(cè)控系統(tǒng)以基于Linux的嵌入式系統(tǒng)為核心，設(shè)計(jì)目標(biāo)歸納起來(lái)主要有以下幾點(diǎn)：

（1）測(cè)控任務(wù)在現(xiàn)場(chǎng)完成。測(cè)控系統(tǒng)采用分散的控制策略，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)上位機(jī)只起到狀態(tài)監(jiān)控的作用。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)完成數(shù)據(jù)測(cè)量、數(shù)據(jù)處理、過(guò)程控制等多種任務(wù)，能確保一些任務(wù)完成的實(shí)時(shí)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(jī)，便于維護(hù)人員查錯(cuò)、排錯(cuò)。具有動(dòng)態(tài)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。

（3）測(cè)控系統(tǒng)可連到工業(yè)以太網(wǎng)，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)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(yùn)行嵌入式Linux 操作系統(tǒng)。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)警信息可通過(guò)串口向上位機(jī)傳輸，也可通過(guò)以太網(wǎng)口向工業(yè)以太網(wǎng)或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)。

1.3 總體框圖

2 基于Linux的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

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I/O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)硬件框圖如下：

針對(duì)測(cè)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(jià)位、高集成度的微處理器，為嵌入式控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)。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(yùn)行Linux提供硬件上的支持，在開(kāi)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(jì)

嵌入式操作系統(tǒng)是整個(gè)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(chǔ)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(duì)它進(jìn)行裁剪，在裁剪過(guò)程中涉及的主要技術(shù)有：

（1） 內(nèi)核的精簡(jiǎn)。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(duì)一些可獨(dú)立加上或卸下的功能塊，可在編譯內(nèi)核時(shí)，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(cè)控系統(tǒng)要連入以太網(wǎng)，就要提供對(duì)TCP/IP的支持，編譯時(shí)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(méi)有必要，編譯時(shí)可去掉。這樣，重新編譯過(guò)的內(nèi)核顯著減小。

（2） 虛擬內(nèi)存機(jī)制的屏蔽。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，虛擬內(nèi)存是導(dǎo)致Linux實(shí)時(shí)性不強(qiáng)的原因之一。在工業(yè)控制中一些任務(wù)要滿足一定的實(shí)時(shí)性的要求，屏蔽內(nèi)核的虛擬內(nèi)存管理機(jī)制可以增強(qiáng)Linux的實(shí)時(shí)性。當(dāng)要更改內(nèi)核的某項(xiàng)機(jī)制時(shí)，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(yǔ)句，在#else宏編譯語(yǔ)句中包括自己編寫的代碼。實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存的機(jī)制有：地址映射機(jī)制、內(nèi)存分配和回收機(jī)制，緩存和刷新機(jī)制、請(qǐng)頁(yè)機(jī)制、交換機(jī)制、內(nèi)存共享機(jī)制，將實(shí)現(xiàn)這些機(jī)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(dòng)的文件主要在 /include/linux、/mm、/drivers/char、/fs、/ipc/kernel、/init目錄下。主要的改動(dòng)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(lái)抽象出對(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)交換的代碼。取消內(nèi)核守護(hù)進(jìn)程kswapd.

（3） 設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序，可按照在Linux下編寫驅(qū)動(dòng)程序的規(guī)則編寫。編寫的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)具有以下功能：①對(duì)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(qǐng)求的數(shù)據(jù)；④檢測(cè)和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

實(shí)現(xiàn)上述步驟后，一個(gè)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(kāi)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(duì)以太網(wǎng)控制器的支持，可以通過(guò)以太網(wǎng)口連到工業(yè)以太網(wǎng)上，實(shí)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(shí)，首先要將內(nèi)核編譯成針對(duì)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(dòng)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(yùn)行。

對(duì)于應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，針對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的具體應(yīng)用，利用Linux 提供API接口開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。測(cè)控系統(tǒng)要完成多個(gè)任務(wù)，因?yàn)槠帘瘟颂摂M內(nèi)存機(jī)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(shí)的上下文切換時(shí)間大大減少，提高了響應(yīng)的速度，實(shí)時(shí)性增強(qiáng)。Linux采用基于優(yōu)先級(jí)的輪轉(zhuǎn)法調(diào)度策略，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)任務(wù)并行。各個(gè)任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求不同，可通過(guò)劃分優(yōu)先級(jí)，使實(shí)時(shí)性要求高的任務(wù)劃分為實(shí)時(shí)進(jìn)程，具有較高的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先得到調(diào)度，保證一定的實(shí)時(shí)性的要求。任務(wù)間通過(guò)信號(hào)量、消息隊(duì)列等機(jī)制通信。

在嵌入式系統(tǒng)中軟件開(kāi)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自診斷，在系統(tǒng)工作期間，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行部分測(cè)試。即將診斷程序設(shè)置在嵌入式系統(tǒng)中中斷級(jí)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(shí)時(shí)診斷。如發(fā)現(xiàn)故障且復(fù)診后仍有錯(cuò)，通過(guò)顯示界面顯示，并上傳給上位機(jī)，保證系統(tǒng)的可靠性。

在嵌入式Linux的開(kāi)發(fā)中，采用主—從模式，通過(guò)串行口或以太網(wǎng)口，使目標(biāo)板和宿主機(jī)相連。使用的是GNU的系列工具，GNU具有免費(fèi)開(kāi)放的源代碼，也為我們開(kāi)發(fā)基于Linux的應(yīng)用程序提供了方便。它包括一系列的開(kāi)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(jī)上開(kāi)發(fā)編譯目標(biāo)機(jī)上可運(yùn)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(tái)上，在開(kāi)發(fā)板上運(yùn)行良好。經(jīng)過(guò)測(cè)試，已滿足一般的實(shí)時(shí)性要求。

3 結(jié) 論

我們開(kāi)發(fā)的基于Linux 的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于測(cè)控系統(tǒng)，能滿足當(dāng)前工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)y(cè)控系統(tǒng)提出的要求，保證測(cè)控任務(wù)完成的實(shí)時(shí)性、可靠性，可連到工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)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(jiǎn)單，易于裝卸，方便系統(tǒng)集成和維護(hù)。軟件方面，用戶可針對(duì)具體應(yīng)用作相應(yīng)修改或刪除即可，因而提高了測(cè)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率，在工業(yè)控制領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。