基于LINUX和CAN總線(xiàn)的工業(yè)嵌入式控制系統研究

1.引言

基于現場(chǎng)總線(xiàn)的控制系統在工業(yè)控制中已經(jīng)得到廣泛的應用，現場(chǎng)總線(xiàn)是根據國際電工委員會(huì )的IEC61158標準的定義而應用于生產(chǎn)現場(chǎng),在現場(chǎng)設備之間、現場(chǎng)設備與控制裝置之間實(shí)行雙向、串行、多節點(diǎn)通信的通信網(wǎng)絡(luò ),也被稱(chēng)為開(kāi)放式、數字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò )?，F場(chǎng)總線(xiàn)具有系統的開(kāi)放性;互操作性與互用性;現場(chǎng)設備的智能化與功能自治性;系統結構的高度分散性;對現場(chǎng)環(huán)境的適應性的優(yōu)點(diǎn),因此，現場(chǎng)總線(xiàn)成為當今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。近年來(lái)已經(jīng)設計出與現場(chǎng)總線(xiàn)相適應的控制模塊，其功耗小、可靠性高、易開(kāi)發(fā)等的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為嵌入式系統的主要成員。所謂嵌入式應用技術(shù)，是指將一個(gè)具有完整功能的小型或微型機裝置作為一個(gè)部件或子系統，與載體有機地構成一個(gè)更可靠的技術(shù)穩定性的功能更強大和完善的系統。工業(yè)嵌入式系統的主要指標要求就是：實(shí)時(shí)性、高效率、安全穩定性與可靠性以及結構緊湊、易于剪裁、良好的開(kāi)放性。實(shí)時(shí)性就是事件驅動(dòng)能力與時(shí)間驅動(dòng)能力，其基礎是內核的結構模式與進(jìn)程管理機制;高效率包括系統的啟動(dòng)速度與運行速度及消息傳遞效率等;而穩定性與可靠性包括穩定性、安全性與容錯能力等有關(guān)的性能指標。以前的大部分工業(yè)嵌入式操作系統都是建立在DOS之上，但是DOS系統無(wú)論在實(shí)時(shí)性、安全性、分布式網(wǎng)絡(luò )支持、可視化編程還是在易用性等諸多方面都不能滿(mǎn)足工業(yè)應用要求，可供嵌入式應用的圖形操作系統有多種，比如WindowsCE、PalmOS、Blackberry和EPOC等，而PalmOS、Blackberry和EPOC一般只應用在手持設備上。適合工業(yè)環(huán)境應用（過(guò)程）標準的系統，目前有WindowsCE和Linux等幾種。本文的所介紹的嵌入式控制系統是基于Linux圖形操作系統。

2.嵌入式控制系統

一般性定義，廣義上的嵌入式控制系統是指非PC系統,有計算機功能但又不稱(chēng)之為計算機的設備和器材;狹義的嵌入式控制系統是把PLC功能、測量功能、PID調節（如溫度）功能、人機+界面功能、現場(chǎng)總線(xiàn)通訊功能和高級語(yǔ)言編程及庫函數集成的結合體。此系統包括控制面板和相關(guān)支持硬件（微處理器、IO端口等外設器件、擴展模塊、存儲器等）及應用軟件。

　　2.1控制面板（以德國EPIS公司產(chǎn)品為例）設計多樣化,用戶(hù)可以選用已有的控制器面板,也可以訂制面板,使其與其設備或系統環(huán)境相匹配。顯示器類(lèi)型是LCD顯示器，同時(shí)配有點(diǎn)陣式顯示和圖形顯示。整個(gè)系統面板從144＊72mm到255＊183mm,適合在各種設備上應用。

　　2.2相關(guān)支持硬件

　　嵌入式微處理器是嵌入式系統的核心。它對實(shí)時(shí)和多任務(wù)有很強的支持能力,能完成多任務(wù)并有較短的中斷響應時(shí)間,使內部的代碼和實(shí)時(shí)操作系統的執行時(shí)間減少到最低限度;具有強大功能的存儲區保護和擴展功能;可擴展的處理器結構,能更方便、迅速地擴展出滿(mǎn)足于應用的高性能配置;嵌入式微處理器的低功耗。

　　IO端口數字輸入口和輸出口數量可選擇,各端口最多可擴展到512路。輸入電壓是24VDC,分為標準速度口（從高變低為3.5ms,從低變高為2.8ms）和快速輸入口（響應速度為20μs），同時(shí)配有高速輸入口,額定電壓是5V或24V,響應時(shí)間為1.1μs。數字輸出口采用24V光電隔離結構,每路電流最大500mA,配有短路保護和過(guò)載保護;繼電器輸出口有一常開(kāi)點(diǎn)和一常閉點(diǎn),轉換電壓最大48VDC,轉換電流最大1A,轉換容量最大30W,運行時(shí)間3ms。模擬量輸入口和輸出口的數量各自可擴展到40路。其模擬量輸入口包括電壓輸入和電流輸入兩種方式,同時(shí)可以接收溫度傳感器信號,內部A/D轉換器15位.,轉換時(shí)間為20μs。特殊功能口:多路高速計數器輸入口,最大輸入頻率是25kHz;增量編碼器輸入口,最大輸入頻率是1MHz;25位絕對值編碼器輸入口;模擬量輸出口內部D/A轉換器是11位,轉換時(shí)間為100ms。

　　總線(xiàn)（CAN）擴展模塊總線(xiàn)（CAN）擴展模塊是光電隔離,與ISO/DIS11898兼容。其傳輸電纜是雙繞線(xiàn)屏蔽電纜,且對應于不同長(cháng)度的電纜,傳送的位速率不盡相同?？偩€(xiàn)（CAN）擴展模塊擴展卡自帶CPU,可獨立脫機工作,節省主CPU的開(kāi)銷(xiāo)?？偩€(xiàn)功能可帶一路或多路總線(xiàn)（CAN）口和多個(gè)擴展槽。利用TCP/IP網(wǎng)絡(luò )功能支持設備與設備間、設備與網(wǎng)絡(luò )之間的在線(xiàn)數據交換，還可選配RS232/RS485,CANopen,和Profibus接口。

　　2.3應用軟件包括操作系統軟件和應用程序編程軟件。操作系統軟件包括與硬件相關(guān)的底層驅動(dòng)軟件、系統內核、設備驅動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面等。嵌入式操作系統的基本特點(diǎn)是能夠有效管理越來(lái)越復雜的系統資源,把硬件虛擬化,使開(kāi)發(fā)人員從繁忙的驅動(dòng)程序移植和維護中解脫出來(lái);能夠提供大量專(zhuān)用和通用庫函數、驅動(dòng)程序、工具集以及應用程序。應用程序控制著(zhù)系統的運作和行為來(lái)完成特定的任務(wù),而操作系統控制著(zhù)應用程序編程與硬件的交互作用。編程環(huán)境非常好,在PC機上編程,具有非常方便地仿真,設斷點(diǎn),參數設置和跟蹤,單步執行等DEBURG功能。

3.工業(yè)嵌入式控制系統的實(shí)時(shí)性與Linux操作系統

　　3.1實(shí)時(shí)性是工業(yè)系統的基本要求，也是考核嵌入式系統最重要的指標之一。工業(yè)控制中的操作系統要求嚴格的實(shí)時(shí)性,實(shí)時(shí)性也是嵌入式系統的主要特征。實(shí)時(shí)系統要求所有任務(wù)在規定的時(shí)間內完成，例如現場(chǎng)的數據采集,電力監控與管理,航天器的飛行控制等等。設計實(shí)時(shí)系統有兩個(gè)相對的目標:一是保證嚴格的時(shí)間關(guān)鍵截止值;二是充分有效地利用各種資源,并能較好地容錯。嵌入式系統在軟件的控制下通過(guò)硬件高速地獲取數據,并進(jìn)行處理,產(chǎn)生相應地反應。整個(gè)過(guò)程必須具有嚴格的時(shí)間和可靠性約束。實(shí)時(shí)操作系統中的重要概念包括：

　　系統響應時(shí)間（systemresponsetime）指系統發(fā)出處理要求到系統給出應答信號的時(shí)間

　　任務(wù)換道時(shí)間（contextswitchingtime）指任務(wù)之間切換而使用的時(shí)間

　　中斷延遲（interruptlatency）指計算機接受到中斷信號到操作系統作出響應，并完成換道轉入中斷服務(wù)程序的時(shí)間

　　實(shí)時(shí)操作系統應具有如下功能：任務(wù)管理（多任務(wù)和基于優(yōu)先級的任務(wù)調度）;任務(wù)間同步和通信（信號量和郵箱等）;存儲器優(yōu)化管理（含ROM的管理）;實(shí)時(shí)時(shí)鐘服務(wù)和中斷管理服務(wù)。

　　通常,根據實(shí)際應用中截止時(shí)間的要求,可將實(shí)時(shí)進(jìn)程分為嚴格滿(mǎn)足時(shí)間截止的硬實(shí)時(shí)進(jìn)程和對截止時(shí)間要求只有關(guān)聯(lián)的軟實(shí)時(shí)進(jìn)程。面向實(shí)時(shí)的Linux調度策略,應該采用線(xiàn)程作為調度的基本單位。在調度系統中安排一定的調度時(shí)鐘,以調度時(shí)鐘作為線(xiàn)程調度的參考。調度時(shí)鐘依據線(xiàn)程創(chuàng )建時(shí)設定的優(yōu)先級,同時(shí)優(yōu)先級高的線(xiàn)程將一直運行。如果兩個(gè)線(xiàn)程具有相同的優(yōu)先級,則采用隨機調度的方法。Linux是一個(gè)通用的操作系統，內核不支持事件優(yōu)先級和搶占實(shí)時(shí)性，因此在將Linux系統作為嵌入系統應用于工業(yè)測控領(lǐng)域時(shí)，必須開(kāi)發(fā)和擴展實(shí)時(shí)功能，將Linux提升為一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統。

　　3.2Linux是由很多體積小且性能高的微內核和部件組成。由于內核代碼的完全開(kāi)放性，不同層次和不同領(lǐng)域的用戶(hù)可以根據具體的應用需求對內核進(jìn)行改造與剪裁，以較低的成本設計出滿(mǎn)足自己要求的嵌入式操作系統。它有一整套的工具鏈gcc，用戶(hù)能夠比較容易自行建立與配置嵌入式系統以及在該系統下的開(kāi)發(fā)環(huán)境與仿真運行環(huán)境，不需要專(zhuān)門(mén)的仿真器。它可以支持RISC和CISC結構的芯片，可以支持16位、32位和64位CPU;就目前的流行器件來(lái)說(shuō)，它可以運行在Intel系列CPU上，也可以運行在IBM和Motorola的PowerPC系列CPU以及Alpha和SPARC系列CPU上。Linux的靈活性極好。在一個(gè)64兆內存的PIII平臺下編寫(xiě)的應用程序，可移植到8兆內存的嵌入式硬件裝置中并可靠和穩定地運行?？紤]可移植性與可裁減性硬件平臺的迅猛發(fā)展,為實(shí)時(shí)應用提供豐富的運行平臺（從單片機到DSP,從CISC到RISC結構的各類(lèi)微處理等）。為了能適應硬件平臺的多樣化,在設計、開(kāi)發(fā)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統內核時(shí),要認真考慮可移植性問(wèn)題。能夠提供廣泛平臺支持的操作系統,目前嵌入式Linux是成功的典型?？梢浦残耘c實(shí)現代碼選用的語(yǔ)言有很大關(guān)系。如,C語(yǔ)言比實(shí)現相同功能的匯編語(yǔ)言具有更好的可移植性。但是,用匯編語(yǔ)言實(shí)現的代碼具有更高的執行效率和更緊湊的代碼空間。所以,為了取得較好的執行效率,節省代碼空間,獲得較強的可移植性,需要選擇一個(gè)在代碼優(yōu)化方面做得好的C語(yǔ)言編譯器,能對C代碼進(jìn)行良好的優(yōu)化。

圖1LINUX內核體系結構