嵌入式系統在閘門控制中的應用

0 　引言
目前,國內大多數閘門控制系統采用的是強電接觸器的硬接線方式 ,而且多為20世紀七八十年代的產品,已嚴重老化,達不到運行可靠性要求,存在著嚴重的安全隱患。同時,閘室多依河道而建 ,閘門間距少則近百米 ,多則上千米 ,因無法實現集中控制而使得閘門反應速度慢 ,無法應對諸如突發性大水等特殊情況。目前,閘室調水主要由工作人員靠經驗目測,造成了水資源的大量浪費 ,如何提高閘門控制的智能化、實現閘門的集中控制,是急需解決的問題。
現代計算機技術的發展為解決上述問題提供了技術支持,尤其是Linux嵌入式系統的發展與應用。Linux系統具有體積小、可裁減、運行速度高、網絡性能良好等優點 ,而且具有源碼公開、可以免費使用等特點,這些都使得Linux系統得以快速發展和廣泛應用,并使嵌入式Linux系統在閘門控制中的應用成為可能。隨著Linux2.6內核的發布,在嵌入式系統市場 ,Linux向主流的實時操作系統供應商提出了挑戰,例如VxWorks和WinCE,它們具有許多新的特性,將成為更優秀的嵌入式操作系統。
嵌入式Linux系統具有高性能、高可靠性 ,并具有多媒體電腦特點,特別適用于工業現場控制和遠程圖像監控。
針對上述閘門控制中急需解決的問題以及嵌入式Linux系統的特點,本文對嵌入式Linux系統的閘門智能控制系統進行設計和探討。系統采用了先進的計算機傳感器技術,對多路閘位、水位進行實時跟蹤顯示,并提供相應的閘門閉環控制模型,使水資源利用率達到最優。
1 　嵌入式Linux系統的構建
1.1 　嵌入式閘門控制系統的主要性能要求
1）具有高可靠性、高響應性 ,能在一定程度上達到或接近實時操作系統的性能。
2）系統整機能適應較惡劣的工作環境,而且功耗低。
3）有一定的多媒體（圖像、聲音）處理能力。
4）有性能良好的圖形用戶接口（GUI）解決方案 ,以及方便、實用的人機接口。
5）系統有一定的伸縮能力,能支持通用的硬件設計。
針對上述性能要求,本設計將首先構建一個基本操作系統,并在此基礎上構建閘門控制系統[1]。

1.2 　操作系統平臺的選擇
在眾多主流嵌入式操作系統中選擇Linux2.6作為操作系統的內核 ,主要基于以下考慮:
1）Linux是一個公開源代碼的操作系統,可以形成具有自主知識產權的操作系統。
2）Linux采用微內核結構,內核部分（含進程調度、內存管理、文件管理、設備驅動等）一般不大于1MB,即使加上小型的GUI系統也不會大于16MB,比較適合嵌入式系統的要求。
3）Linux2.6內核引進了內核搶占式的調度功能,因此 ,響應時間相比以前的內核有大幅度縮減。
4）Linux支持多種硬件體系結構。在開發初期,為了縮短開發周期,可以先選擇支持x86的奔騰系列處理器平臺;后期在進行很少改動的前提下,就可移植到其他硬件平臺上。

1.3 　操作系統的開發流程
本系統的定制主要有2個部分:一是系統內核及基本根文件系統的定制 ,二是GUI的實現[2]。

1.3.1 　系統內核及根文件系統定制
定制一個4MB～8MB的基本Linux系統,提供如下基本操作系統功能:多進程、多用戶;文件、內存管理;用戶操作終端。這部分工作是后續系統定制和應用軟件開發的基礎。
采用2.6版本以上內核,在編譯中加入內核搶占式調度功能、Ramdisk支持、中文字符集支持。根據文件系統只讀部分采用 Ext2 文件系統 ,讀寫部分可采用Cramdisk等嵌入式文件系統。此部分的工作主要有:建立交叉編譯環境;剪裁內核（這是一個反復的過程）;剪裁根文件系統 ,建立運行環境,編寫各個運行腳本;提供基本硬件的支持。
1.3.2 　GUI的實現
基于X2Server定制一個16MB～32MB的X2Windows環境,能提供較豐富的GUI功能。提供一個系統自動運行的程序,使開機至工程啟動的時間控制在30s內,并在此基礎上提供中文輸入功能。GUI的實現是為基于此平臺的閘門控制軟件提供圖形庫操作接口,使得該軟件具有較好的人機交互界面。
此部分的工作主要有:編寫 X2Windows的各種配置文件;剪裁其不需要的程序,只保留基本程序;編寫X2Windows 的各個腳本文件[3]。
2 　系統的硬件結構
在本設計中 ,閘門控制系統由閘門操作、視頻采集和水情監測3個部分組成。基本結構如圖1所示。