基于Linux的嵌入式工業(yè)測控系統設計方案

1、前言

隨著(zhù)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(zhù)32位嵌入式CPU價(jià)格的下降，性能指標的提高，為嵌入式系統的廣泛應用和Linux在嵌入式系統中的發(fā)展提供了廣闊的空間。由于Linux的高度靈活性，可以容易地根據應用領(lǐng)域的特點(diǎn)對它進(jìn)行定制開(kāi)發(fā)，以滿(mǎn)足實(shí)際應用需要。

2、基于Linux的嵌入式系統在測控系統中的設計

計算機測控系統本質(zhì)上就是計算機控制系統，為了對被控對象實(shí)施控制，對其參數和狀態(tài)進(jìn)行檢測是必不可少的。

2.1 測控系統整體設計

測控系統以基于Linux的嵌入式系統為核心，應用程序可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行更新，通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行人機對話(huà)，數據可通過(guò)LCD現場(chǎng)顯示。重要數據可以文件形式保存在Flash存儲器中，數據和報警信息還可通過(guò)串口向上位機傳輸，也可通過(guò)以太網(wǎng)口向Inernet發(fā)布信息。用戶(hù)通過(guò)顯示界面查看設備狀態(tài)，設置設備參數，實(shí)現遠程監控、遠程維護。

2.2 總體框圖[1]

2.3 嵌入式系統硬件設計

2.3.1 硬件框圖

考慮一般測控系統對嵌入式系統要求比較多的功能有:鍵盤(pán)接口、顯示接口、A/D(或D/A)轉換單元、可擴展的UO接口、打印機接口、與PC機通信的串行接口、以太網(wǎng)口等。實(shí)現的嵌入式系統硬件框圖如圖2-2所示[3]:

2.3.2 Linux下設備驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)

Linux系統中，內核提供保護機制，用戶(hù)空間的進(jìn)程一般不能直接訪(fǎng)問(wèn)硬件。Linux設備被抽象出來(lái)，所有設備都看成文件。用戶(hù)進(jìn)程通過(guò)文件系統的接口訪(fǎng)問(wèn)設備驅動(dòng)程序，設備驅動(dòng)程序主要完成如下功能:

①探測設備和初始化設備；②從設備接受數據并提交給內核；③從內核接受數據送到設備；④檢測和處理設備錯誤。

3、基于 RTAI-Linux的嵌入式系統的軟件實(shí)現

3.1 RTAI實(shí)時(shí)硬件抽象層的實(shí)現機理

引入新的數據結構rt_hal，形成了實(shí)時(shí)硬件抽象層RTHAL(Real Time Hardware Abatract Layer),rt_hal結構體的定義如下:

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*/
Linux_sti, /*開(kāi)中斷函數*/
Linux_save_flags, /*保存中斷前的標志*/
Linux_restore_flags, /*恢復中斷前的標志*/
Task_and_ack_8259A, /*中斷屏蔽*/
Enable_8259A_irq, /*中斷使能*/
Linux_ack_APIC_irq,
(), /*在io_apic.c文件中設置*/
io_apic_irgs,
irq_controller_lock,
irq_desc,
irq_vector,
(), /*在io_apic.c文件中設置*/
ret_from_imr,
gdt_table, /*全局描述符表*/
idle_weight,
()
};

初始化rthal時(shí)，指向函數的指針變量指向實(shí)現原來(lái)標準Linux中開(kāi)、關(guān)中斷等功能的函數如下:

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);
}

當加載RTAI模塊時(shí)，執行rt_mount_rtai函數如下:

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中指向函數的指針變量指向了RTAI中實(shí)現的同名函數，在RTAI中實(shí)現的關(guān)中斷函數如下:

static void linux_cli(void)
{
processor[hard_cpu_id()].intr_flag=0;
}

在RTAI中引入新的數據結構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];

當執行關(guān)中斷時(shí)，只是將數據結構processor中的中斷標志位intr_flag設為0，而不是真正的清除eflags寄存器的IF標志來(lái)關(guān)中斷，解決了Linux中長(cháng)期關(guān)中斷的問(wèn)題。

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

通過(guò)修改Linux內核相關(guān)的源文件，形成實(shí)時(shí)硬件抽象層。執行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)

加載上應用程序需要的RTAI模塊后，就可以在RTAI-Linux環(huán)境下開(kāi)發(fā)應用程序。

3.3 基于RTAI-Linux的應用程序的開(kāi)發(fā)

針對工業(yè)測控系統的數據采集、數據處理、控制、通信等具體應用，將應用程序分為實(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(kāi)發(fā)，編寫(xiě)成內核模塊，工作在Linux的核心態(tài)。用戶(hù)進(jìn)程可利用Linux操作系統提供的大量資源，進(jìn)行TCP/IP網(wǎng)絡(luò )通信，開(kāi)發(fā)圖形用戶(hù)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隊列和共享內存等方法通信。RTAI-Linux應用程序結構如圖3-1所示。

數據采集任務(wù)的實(shí)現在rt_process.c中的主要函數如下:

static void data_collect()
{
rtf_put(FIFO,data_value,sizeof(data_value);/*將采集的數據放入實(shí)時(shí)FIFO中*/
rt_task_wait_period();
}
int int_module(void)
rtime tick_period;
rt_set_periodic_mode(); /*將定時(shí)器設置為周期模式*/
rt_task_init(rt_task,data_collect,l,Stack_size,task_priority,1,0);/*初始化數據采集任務(wù)*/
return ()
}
void cleanup_module(void)
{
stop_rt_timer();
rtf_destroy(FIFO);
rt_task_delete(rt_task);
return;
}

數據顯示程序的實(shí)現在disaplay.c中的主要函數:

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(hù)進(jìn)程從實(shí)時(shí)FIFO中讀取數據*/
printf(data%f ,data_value)
}

4、結論

本文給出了一種應用于測控系統的基于Linux的嵌入式系統的設計方案，能保證測控任務(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)現遠程監控，在工業(yè)控制領(lǐng)域有很好的應用前景。

本文作者的創(chuàng )新點(diǎn)：在嵌入式系統軟件的設計與實(shí)現上，提供了開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)應用程序的接口；利用實(shí)時(shí)應用接口(RTAI)來(lái)增強Linux的實(shí)時(shí)性，并引入實(shí)時(shí)硬件抽象層結構(rthal)、實(shí)時(shí)調度器、實(shí)時(shí)FIFO等實(shí)時(shí)服務(wù)；給出了在RTAI-Linux環(huán)境下開(kāi)發(fā)工業(yè)測控系統中實(shí)時(shí)應用程序的方法