嵌入式工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方案

基于嵌入式Linux的工控系統(tǒng)以嵌入式微處理器為核心來(lái)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，并可通過(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)可用文件形式保存在Flash等閃存存儲(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，也可以通過(guò)以太網(wǎng)向工業(yè)以太網(wǎng)或Internet發(fā)布，用戶還可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程維護(hù)。更為關(guān)鍵的是，可充分利用Internet上已有的軟件和協(xié)議(如：ftp，http以及Apache PHP MySQL等應(yīng)用程序)迅速搭建前臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)和后臺(tái)管理系統(tǒng)的通訊。這種方式的優(yōu)點(diǎn)有：

(1)不需專用的通信線路即可用現(xiàn)成的Inter-net網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到任何地方。

(2)不僅能夠傳遞數(shù)據(jù)信號(hào)，也可以傳遞音頻和圖像信號(hào)。

(3) 由于目前的Internet協(xié)議是現(xiàn)成和公開(kāi)的，因此，利用大到幾十兆的 Microsoft IE瀏覽器，或小到只有600 KB的Mosaic瀏覽器都可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 硬件設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)的硬件運(yùn)行平臺(tái)是開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序的基礎(chǔ)，整個(gè)開(kāi)發(fā)板可基于IntelRSA-1110 微處理器架構(gòu)。

嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。該硬件針對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的應(yīng)用選擇了Intel系列中的Strong ARM MCU。Strong ARM SA-1110是一款高性能、低價(jià)位、高集成度微處理器。SA-1110芯片內(nèi)部集成有能以206MHz運(yùn)行的32-bit Intel Stron-ggARM RISC處理器，以及速度可達(dá)100MHz的存儲(chǔ)器總線和靈活的存儲(chǔ)器控制器，可支持SDRAM、SMROM以及variable-latency I/O 設(shè)備，并可為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供較高的存儲(chǔ)帶寬。由于SA-1110可以適應(yīng)較大流量的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，因而可為運(yùn)行Linux提供硬件上的支持。此外，SA-1110還在開(kāi)發(fā)板上集成有32MB的SDRAM、8MB的Flash、10 base T以太網(wǎng)接口、RS232/RS485串口、I/O接口以及擴(kuò)展Flash卡存儲(chǔ)器等。有關(guān)SA-1110更詳細(xì)的資料可參考有關(guān)資料。

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。如前面所述，嵌入式系統(tǒng)在內(nèi)存容量和存儲(chǔ)容量不足的情況下，必須對(duì)Linux進(jìn)行裁減設(shè)計(jì)。在裁剪過(guò)程中，所涉及的主要技術(shù)有下面幾種。

(1)內(nèi)核的精簡(jiǎn)

標(biāo)準(zhǔn)Linux是面向PC的，它集成了許多PC所需要而嵌入式系統(tǒng)并不需要的功能。因此，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)所需的功能模塊，而刪除不需要的功能塊。這樣，重新編譯過(guò)的內(nèi)核就會(huì)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)模地寫代碼，可采用條件編譯的方法。同時(shí)由于Linux系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用進(jìn)程采用的是公平的時(shí)間分配調(diào)度算法，但這一算法也不能保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，因此要求對(duì)其進(jìn)行更改。更改途徑有兩種：一是通過(guò)POSIX，二是通過(guò)底層編程。筆者是通過(guò)Linux的實(shí)時(shí)有名管道(FIFO)的特殊隊(duì)列來(lái)處理實(shí)時(shí)任務(wù)的先后順序。實(shí)際上，實(shí)時(shí)有名管道就象實(shí)時(shí)任務(wù)一樣從不換頁(yè)，因而可以大大減少由于內(nèi)存翻頁(yè)而造成的不確定延時(shí)。

(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)則進(jìn)行編寫。編寫的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)當(dāng)具有以下功能：

●對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化和釋放;

●完成數(shù)據(jù)從內(nèi)核到硬件設(shè)備的傳送和從硬件讀取數(shù)據(jù)兩項(xiàng)功能;

●讀取應(yīng)用程序傳遞給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)以及回送應(yīng)用程序請(qǐng)求的數(shù)據(jù);

●檢測(cè)和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

(4)開(kāi)發(fā)基于閃存的文件系統(tǒng)JFFS

應(yīng)用程序和重要數(shù)據(jù)通常以文件的形式被存放在閃存文件系統(tǒng)中。JFFS2 文件系統(tǒng)是日志結(jié)構(gòu)化的，這意味著它基本上是一長(zhǎng)列節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含著有關(guān)文件的部分信息。JFFS2是專門為象閃存芯片那樣的嵌入式設(shè)備創(chuàng)建的，所以它的整個(gè)設(shè)計(jì)提供了更好的閃存管理，因而具有其它文件系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。具體如下：

●JFFS2 在扇區(qū)級(jí)別上執(zhí)行閃存擦除/寫/讀操作要比 Ext2文件系統(tǒng)好。

●JFFS2 提供了比 Ext2fs 更好的崩潰/掉電安全保護(hù)。當(dāng)需要更改少量數(shù)據(jù)時(shí)，Ext2文件系統(tǒng)會(huì)將整個(gè)扇區(qū)復(fù)制到內(nèi)存(DRAM)中，并在內(nèi)存中合并成新數(shù)據(jù)再寫回整個(gè)扇區(qū)。而JFFS2 則可以隨時(shí)更改需要的(不是重寫)整個(gè)扇區(qū)，同時(shí)還具有崩潰/掉電安全保護(hù)功能。

實(shí)現(xiàn)上述幾個(gè)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)存管理和文件管理等三部分。它支持多任務(wù)并行，有完整的TCP/IP協(xié)議，同時(shí)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)口連到以太網(wǎng)上，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程配置與監(jiān)控。

將裁剪好的內(nèi)核移植到所用的目標(biāo)板上時(shí)，首先應(yīng)將內(nèi)核編譯成針對(duì)該處理器的目標(biāo)代碼。由于不同硬件體系的移植啟動(dòng)代碼會(huì)有所不同，因此，一些內(nèi)核程序可能要改寫。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)部分代碼主要是啟動(dòng)引導(dǎo)、內(nèi)存管理和中斷處理部分。將M-System公司的DOC 2000作為系統(tǒng)的啟動(dòng)設(shè)備時(shí)，引導(dǎo)代碼可以放在DOC上。這樣3系統(tǒng)加電后，引導(dǎo)代碼即可進(jìn)行基本的硬件初始化，然后把內(nèi)核映象裝入內(nèi)存并運(yùn)行,最后，再將調(diào)試好的內(nèi)核和應(yīng)用程序燒錄到閃存中。由于此時(shí)裁剪后的Linux已成功移植到目標(biāo)平臺(tái)上,因此,在啟動(dòng)可運(yùn)行的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)時(shí),就可以根據(jù)具體的應(yīng)用來(lái)開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。如數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、通信和數(shù)據(jù)發(fā)布模塊等等。

結(jié)束語(yǔ)

如今，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用正在轉(zhuǎn)到以嵌入式設(shè)備為中心，因此,用工控系統(tǒng)與Internet相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化已是一種必然的趨勢(shì)。而把嵌入式Linux微處理器內(nèi)核嵌入到基于StrongARM SA1110 的32位MCU系統(tǒng)中，然后通過(guò)構(gòu)造TCP/IP多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和基本網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，再利用嵌入式操作系統(tǒng)對(duì)底層硬件和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持，以及對(duì)工控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求的Linux內(nèi)核和虛擬內(nèi)存機(jī)制進(jìn)行改造，即可保證測(cè)控任務(wù)完成的實(shí)時(shí)性和可靠性?？梢灶A(yù)見(jiàn)，這種方案在工業(yè)控制領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，而且具有開(kāi)發(fā)周期短、系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。