基于Linux的嵌入式測控系統(tǒng)設計

0引言當前，在工業(yè)控制領域，網(wǎng)絡控制技術(shù)快速發(fā)展。網(wǎng)絡控制要求測控系統(tǒng)必須具備兩方面的功能：一方面要在現(xiàn)場完成復雜的測控任務，通常一些任務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)遠程監(jiān)控。而在目前應用的大多數(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)控制領域獲得越來越多的應用。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?，F(xiàn)在，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)的廣泛應用提供了可能性?；谏鲜銮闆r，我們將嵌入式系統(tǒng)應用于測控系統(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)總體設計1.1設計目標測控系統(tǒng)以基于Linux的嵌入式系統(tǒng)為核心，設計目標歸納起來主要有以下幾點：(1)測控任務在現(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，能確保一些任務完成的實時性。(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備狀態(tài)，設置設備參數(shù)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控、遠程維護。1.3總體框圖

圖1系統(tǒng)框圖2基于Linux的嵌入式系統(tǒng)的設計2.1硬件設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，為嵌入式控制應用而設計。MCF5307的處理能力達70MIPS，工作頻率88.47MHz，總線頻率44.236MHz，為運行Linux提供硬件上的支持，在開發(fā)板上還集成有16M的SDRAM、2M的FLASH、10baseT以太網(wǎng)接口、RS232/RS485串口、I/O接口等。2.2軟件設計嵌入式操作系統(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。標準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)存是導致Linux實時性不強的原因之一。在工業(yè)控制中一些任務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，將進程的mm_struct結(jié)構(gòu)中的vm_area_struct去掉，vm_area_struct利用了vm_o