基于LINUX和CAN總線的工業(yè)嵌入式控制系統(tǒng)研究

1.引言

基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)在工業(yè)控制中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)總線是根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)的IEC61158標(biāo)準(zhǔn)的定義而應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制裝置之間實(shí)行雙向、串行、多節(jié)點(diǎn)通信的通信網(wǎng)絡(luò),也被稱為開(kāi)放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線具有系統(tǒng)的開(kāi)放性;互操作性與互用性;現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性;系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性;對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性的優(yōu)點(diǎn),因此，現(xiàn)場(chǎng)總線成為當(dāng)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(shè)計(jì)出與現(xiàn)場(chǎng)總線相適應(yīng)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(tǒng)的主要成員。所謂嵌入式應(yīng)用技術(shù)，是指將一個(gè)具有完整功能的小型或微型機(jī)裝置作為一個(gè)部件或子系統(tǒng)，與載體有機(jī)地構(gòu)成一個(gè)更可靠的技術(shù)穩(wěn)定性的功能更強(qiáng)大和完善的系統(tǒng)。工業(yè)嵌入式系統(tǒng)的主要指標(biāo)要求就是：實(shí)時(shí)性、高效率、安全穩(wěn)定性與可靠性以及結(jié)構(gòu)緊湊、易于剪裁、良好的開(kāi)放性。實(shí)時(shí)性就是事件驅(qū)動(dòng)能力與時(shí)間驅(qū)動(dòng)能力，其基礎(chǔ)是內(nèi)核的結(jié)構(gòu)模式與進(jìn)程管理機(jī)制;高效率包括系統(tǒng)的啟動(dòng)速度與運(yùn)行速度及消息傳遞效率等;而穩(wěn)定性與可靠性包括穩(wěn)定性、安全性與容錯(cuò)能力等有關(guān)的性能指標(biāo)。以前的大部分工業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)都是建立在DOS之上，但是DOS系統(tǒng)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足工業(yè)應(yīng)用要求，可供嵌入式應(yīng)用的圖形操作系統(tǒng)有多種，比如WindowsCE、PalmOS、Blackberry和EPOC等，而PalmOS、Blackberry和EPOC一般只應(yīng)用在手持設(shè)備上。適合工業(yè)環(huán)境應(yīng)用（過(guò)程）標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，目前有WindowsCE和Linux等幾種。本文的所介紹的嵌入式控制系統(tǒng)是基于Linux圖形操作系統(tǒng)。

2.嵌入式控制系統(tǒng)

一般性定義，廣義上的嵌入式控制系統(tǒng)是指非PC系統(tǒng),有計(jì)算機(jī)功能但又不稱之為計(jì)算機(jī)的設(shè)備和器材;狹義的嵌入式控制系統(tǒng)是把PLC功能、測(cè)量功能、PID調(diào)節(jié)（如溫度）功能、人機(jī)+界面功能、現(xiàn)場(chǎng)總線通訊功能和高級(jí)語(yǔ)言編程及庫(kù)函數(shù)集成的結(jié)合體。此系統(tǒng)包括控制面板和相關(guān)支持硬件（微處理器、IO端口等外設(shè)器件、擴(kuò)展模塊、存儲(chǔ)器等）及應(yīng)用軟件。

　　2.1控制面板（以德國(guó)EPIS公司產(chǎn)品為例）設(shè)計(jì)多樣化,用戶可以選用已有的控制器面板,也可以訂制面板,使其與其設(shè)備或系統(tǒng)環(huán)境相匹配。顯示器類型是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(tǒng)面板從144＊72mm到255＊183mm,適合在各種設(shè)備上應(yīng)用。

　　2.2相關(guān)支持硬件

　　嵌入式微處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心。它對(duì)實(shí)時(shí)和多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力,能完成多任務(wù)并有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間,使內(nèi)部的代碼和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間減少到最低限度;具有強(qiáng)大功能的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)和擴(kuò)展功能;可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu),能更方便、迅速地?cái)U(kuò)展出滿足于應(yīng)用的高性能配置;嵌入式微處理器的低功耗。

　　IO端口數(shù)字輸入口和輸出口數(shù)量可選擇,各端口最多可擴(kuò)展到512路。輸入電壓是24VDC,分為標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)速度為20μs），同時(shí)配有高速輸入口,額定電壓是5V或24V,響應(yīng)時(shí)間為1.1μs。數(shù)字輸出口采用24V光電隔離結(jié)構(gòu),每路電流最大500mA,配有短路保護(hù)和過(guò)載保護(hù);繼電器輸出口有一常開(kāi)點(diǎn)和一常閉點(diǎn),轉(zhuǎn)換電壓最大48VDC,轉(zhuǎn)換電流最大1A,轉(zhuǎn)換容量最大30W,運(yùn)行時(shí)間3ms。模擬量輸入口和輸出口的數(shù)量各自可擴(kuò)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(hào),內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器15位.,轉(zhuǎn)換時(shí)間為20μs。特殊功能口:多路高速計(jì)數(shù)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(duì)值編碼器輸入口;模擬量輸出口內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換器是11位,轉(zhuǎn)換時(shí)間為100ms。

　　總線（CAN）擴(kuò)展模塊總線（CAN）擴(kuò)展模塊是光電隔離,與ISO/DIS11898兼容。其傳輸電纜是雙繞線屏蔽電纜,且對(duì)應(yīng)于不同長(zhǎng)度的電纜,傳送的位速率不盡相同。總線（CAN）擴(kuò)展模塊擴(kuò)展卡自帶CPU,可獨(dú)立脫機(jī)工作,節(jié)省主CPU的開(kāi)銷?？偩€功能可帶一路或多路總線（CAN）口和多個(gè)擴(kuò)展槽。利用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)功能支持設(shè)備與設(shè)備間、設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)之間的在線數(shù)據(jù)交換，還可選配RS232/RS485,CANopen,和Profibus接口。

　　2.3應(yīng)用軟件包括操作系統(tǒng)軟件和應(yīng)用程序編程軟件。操作系統(tǒng)軟件包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面等。嵌入式操作系統(tǒng)的基本特點(diǎn)是能夠有效管理越來(lái)越復(fù)雜的系統(tǒng)資源,把硬件虛擬化,使開(kāi)發(fā)人員從繁忙的驅(qū)動(dòng)程序移植和維護(hù)中解脫出來(lái);能夠提供大量專用和通用庫(kù)函數(shù)、驅(qū)動(dòng)程序、工具集以及應(yīng)用程序。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為來(lái)完成特定的任務(wù),而操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。編程環(huán)境非常好,在PC機(jī)上編程,具有非常方便地仿真,設(shè)斷點(diǎn),參數(shù)設(shè)置和跟蹤,單步執(zhí)行等DEBURG功能。

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

　　3.1實(shí)時(shí)性是工業(yè)系統(tǒng)的基本要求，也是考核嵌入式系統(tǒng)最重要的指標(biāo)之一。工業(yè)控制中的操作系統(tǒng)要求嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性,實(shí)時(shí)性也是嵌入式系統(tǒng)的主要特征。實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求所有任務(wù)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，例如現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集,電力監(jiān)控與管理,航天器的飛行控制等等。設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)有兩個(gè)相對(duì)的目標(biāo):一是保證嚴(yán)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(cuò)。嵌入式系統(tǒng)在軟件的控制下通過(guò)硬件高速地獲取數(shù)據(jù),并進(jìn)行處理,產(chǎn)生相應(yīng)地反應(yīng)。整個(gè)過(guò)程必須具有嚴(yán)格的時(shí)間和可靠性約束。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的重要概念包括：

　　系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間（systemresponsetime）指系統(tǒng)發(fā)出處理要求到系統(tǒng)給出應(yīng)答信號(hào)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(jì)算機(jī)接受到中斷信號(hào)到操作系統(tǒng)作出響應(yīng)，并完成換道轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序的時(shí)間

　　實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)具有如下功能：任務(wù)管理（多任務(wù)和基于優(yōu)先級(jí)的任務(wù)調(diào)度）;任務(wù)間同步和通信（信號(hào)量和郵箱等）;存儲(chǔ)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(jù)實(shí)際應(yīng)用中截止時(shí)間的要求,可將實(shí)時(shí)進(jìn)程分為嚴(yán)格滿足時(shí)間截止的硬實(shí)時(shí)進(jìn)程和對(duì)截止時(shí)間要求只有關(guān)聯(lián)的軟實(shí)時(shí)進(jìn)程。面向?qū)崟r(shí)的Linux調(diào)度策略,應(yīng)該采用線程作為調(diào)度的基本單位。在調(diào)度系統(tǒng)中安排一定的調(diào)度時(shí)鐘,以調(diào)度時(shí)鐘作為線程調(diào)度的參考。調(diào)度時(shí)鐘依據(jù)線程創(chuàng)建時(shí)設(shè)定的優(yōu)先級(jí),同時(shí)優(yōu)先級(jí)高的線程將一直運(yùn)行。如果兩個(gè)線程具有相同的優(yōu)先級(jí),則采用隨機(jī)調(diào)度的方法。Linux是一個(gè)通用的操作系統(tǒng)，內(nèi)核不支持事件優(yōu)先級(jí)和搶占實(shí)時(shí)性，因此在將Linux系統(tǒng)作為嵌入系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域時(shí)，必須開(kāi)發(fā)和擴(kuò)展實(shí)時(shí)功能，將Linux提升為一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

　　3.2Linux是由很多體積小且性能高的微內(nèi)核和部件組成。由于內(nèi)核代碼的完全開(kāi)放性，不同層次和不同領(lǐng)域的用戶可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求對(duì)內(nèi)核進(jìn)行改造與剪裁，以較低的成本設(shè)計(jì)出滿足自己要求的嵌入式操作系統(tǒng)。它有一整套的工具鏈gcc，用戶能夠比較容易自行建立與配置嵌入式系統(tǒng)以及在該系統(tǒng)下的開(kāi)發(fā)環(huán)境與仿真運(yùn)行環(huán)境，不需要專門的仿真器。它可以支持RISC和CISC結(jié)構(gòu)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(yùn)行在Intel系列CPU上，也可以運(yùn)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(nèi)存的PIII平臺(tái)下編寫(xiě)的應(yīng)用程序，可移植到8兆內(nèi)存的嵌入式硬件裝置中并可靠和穩(wěn)定地運(yùn)行?？紤]可移植性與可裁減性硬件平臺(tái)的迅猛發(fā)展,為實(shí)時(shí)應(yīng)用提供豐富的運(yùn)行平臺(tái)（從單片機(jī)到DSP,從CISC到RISC結(jié)構(gòu)的各類微處理等）。為了能適應(yīng)硬件平臺(tái)的多樣化,在設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核時(shí),要認(rèn)真考慮可移植性問(wèn)題。能夠提供廣泛平臺(tái)支持的操作系統(tǒng),目前嵌入式Linux是成功的典型?？梢浦残耘c實(shí)現(xiàn)代碼選用的語(yǔ)言有很大關(guān)系。如,C語(yǔ)言比實(shí)現(xiàn)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(xiàn)的代碼具有更高的執(zhí)行效率和更緊湊的代碼空間。所以,為了取得較好的執(zhí)行效率,節(jié)省代碼空間,獲得較強(qiáng)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(duì)C代碼進(jìn)行良好的優(yōu)化。

圖1LINUX內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)