基于Linux的嵌入式工業(yè)測控系統(tǒng)

文摘:該文針對當(dāng)前工業(yè)控制領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的快速發(fā)展，給出了一種應(yīng)用于測控系統(tǒng)的基于Linux的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。利用Linux自身提供的條件編譯系統(tǒng)，初步解決了Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)面臨的一些問題。并利用實(shí)時(shí)應(yīng)用接口(RTAI)來增強(qiáng)Linux的實(shí)時(shí)性，引入實(shí)時(shí)硬件抽象層結(jié)構(gòu)(RTHAL)，利用Linux的內(nèi)核模塊機(jī)制提供實(shí)時(shí)服務(wù)和完成實(shí)時(shí)任務(wù)，解決了Linux實(shí)時(shí)性不足的問題。通過數(shù)據(jù)采集程序的實(shí)現(xiàn)給出了在RTAI-Linux環(huán)境下開發(fā)實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)方法。
關(guān)鍵詞：Linux；嵌入式系統(tǒng)；測控系統(tǒng)；實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；RTAI

1、前言

隨著網(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)域獲得越來越廣泛的應(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)。隨著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)用和Linux在嵌入式系統(tǒng)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(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的特點(diǎn)對它進(jìn)行定制開發(fā)，以滿足實(shí)際應(yīng)用需要。

2、基于Linux的嵌入式系統(tǒng)在測控系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)

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

2.1 測控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

測控系統(tǒng)以基于Linux的嵌入式系統(tǒng)為核心，應(yīng)用程序可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更新，通過鍵盤進(jìn)行人機(jī)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(bào)警信息還可通過串口向上位機(jī)傳輸，也可通過以太網(wǎng)口向Inernet發(fā)布信息。用戶通過顯示界面查看設(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)。

2.2 總體框圖^[1]

圖2-1 嵌入式系統(tǒng)總體框圖

2.3 嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.3.1 硬件框圖

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(kuò)展的UO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)硬件框圖如圖2-2所示^[3]:

圖2-2 嵌入式系統(tǒng)硬件框圖

2.3.2 Linux下設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)

Linux系統(tǒng)中，內(nèi)核提供保護(hù)機(jī)制，用戶空間的進(jìn)程一般不能直接訪問硬件。Linux設(shè)備被抽象出來，所有設(shè)備都看成文件。用戶進(jìn)程通過文件系統(tǒng)的接口訪問設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要完成如下功能:

①探測設(shè)備和初始化設(shè)備；②從設(shè)備接受數(shù)據(jù)并提交給內(nèi)核；③從內(nèi)核接受數(shù)據(jù)送到設(shè)備；④檢測和處理設(shè)備錯(cuò)誤。

3、基于 RTAI-Linux的嵌入式系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 RTAI實(shí)時(shí)硬件抽象層的實(shí)現(xiàn)機(jī)理

引入新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)rt_hal，形成了實(shí)時(shí)硬件抽象層RTHAL(Real Time Hardware Abatract Layer),rt_hal結(jié)構(gòu)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(shù)*/

Linux_sti, /*開中斷函數(shù)*/

Linux_save_flags, /*保存中斷前的標(biāo)志*/

Linux_restore_flags, /*恢復(fù)中斷前的標(biāo)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(shè)置*/

io_apic_irgs,

irq_controller_lock,

irq_desc,

irq_vector,

(), /*在io_apic.c文件中設(shè)置*/

ret_from_imr,

gdt_table, /*全局描述符表*/

idle_weight,

()

};

初始化rthal時(shí)，指向函數(shù)的指針變量指向?qū)崿F(xiàn)原來標(biāo)準(zhǔn)Linux中開、關(guān)中斷等功能的函數(shù)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(dāng)加載RTAI模塊時(shí)，執(zhí)行rt_mount_rtai函數(shù)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(shù)的指針變量指向了RTAI中實(shí)現(xiàn)的同名函數(shù)，在RTAI中實(shí)現(xiàn)的關(guān)中斷函數(shù)如下:

static void linux_cli(void)

{

processor[hard_cpu_id()].intr_flag=0;

}

在RTAI中引入新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(dāng)執(zhí)行關(guān)中斷時(shí)，只是將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)processor中的中斷標(biāo)志位intr_flag設(shè)為0，而不是真正的清除eflags寄存器的IF標(biāo)志來關(guān)中斷，解決了Linux中長期關(guān)中斷的問題。

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

通過修改Linux內(nèi)核相關(guān)的源文件，形成實(shí)時(shí)硬件抽象層。執(zhí)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(yīng)用程序需要的RTAI模塊后，就可以在RTAI-Linux環(huán)境下開發(fā)應(yīng)用程序。

3.3 基于RTAI-Linux的應(yīng)用程序的開發(fā)

針對工業(yè)測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制、通信等具體應(yīng)用，將應(yīng)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來開發(fā)，編寫成內(nèi)核模塊，工作在Linux的核心態(tài)。用戶進(jìn)程可利用Linux操作系統(tǒng)提供的大量資源，進(jìn)行TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信，開發(fā)圖形用戶界面程序等。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Fifo隊(duì)列和共享內(nèi)存等方法通信。RTAI-Linux應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。

圖3-1 RTAI-Linux應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集任務(wù)的實(shí)現(xiàn)在rt_process.c中的主要函數(shù)如下:

static void data_collect()

{

rtf_put(FIFO,data_value,sizeof(data_value);/*將采集的數(shù)據(jù)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(shè)置為周期模式*/

rt_task_init(rt_task,data_collect,l,Stack_size,task_priority,1,0);/*初始化數(shù)據(jù)采集任務(wù)*/

return ()

}

void cleanup_module(void)

{

stop_rt_timer();

rtf_destroy(FIFO);

rt_task_delete(rt_task);

return;

}

數(shù)據(jù)顯示程序的實(shí)現(xiàn)在disaplay.c中的主要函數(shù):

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));/*用戶進(jìn)程從實(shí)時(shí)FIFO中讀取數(shù)據(jù)*/

printf("data%f",data_value)

}

4、結(jié)論

本文給出了一種應(yīng)用于測控系統(tǒng)的基于Linux的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，在工業(yè)控制領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)：在嵌入式系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)上，提供了開發(fā)實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的接口；利用實(shí)時(shí)應(yīng)用接口(RTAI)來增強(qiáng)Linux的實(shí)時(shí)性，并引入實(shí)時(shí)硬件抽象層結(jié)構(gòu)(rthal)、實(shí)時(shí)調(diào)度器、實(shí)時(shí)FIFO等實(shí)時(shí)服務(wù)；給出了在RTAI-Linux環(huán)境下開發(fā)工業(yè)測控系統(tǒng)中實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的方法。

參考文獻(xiàn)：
[1] 王躍科等.基于網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的分布式測控系統(tǒng)開放體系結(jié)構(gòu)與技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2002.10
[2] 須文波.基于Linux的嵌入式系統(tǒng)在測控系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].江南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2003.3
[3] 胡在華等.一種新型嵌入式測控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2002.21
[4] 陳繼榮，黃建華.Linux操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性分析及改進(jìn)策略[J].微計(jì)算機(jī)信息，2005年第21卷.第11-2期.P67-P69