基于Linux的嵌入式工業測控系統設計方案

1、前言

隨著網絡控制技術的快速發展，工業以太網得到逐步完善，在工業控制領域獲得越來越廣泛的應用。工業以太網使用了TCP/IP協議，便于聯網，并具有高速控制網絡的優點。隨著32位嵌入式CPU價格的下降，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域的特點對它進行定制開發，以滿足實際應用需要。

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上就是計算機控制系統，為了對被控對象實施控制，對其參數和狀態進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，應用程序可通過網絡進行更新，通過鍵盤進行人機對話，數據可通過LCD現場顯示。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串口向上位機傳輸，也可通過以太網口向Inernet發布信息。用戶通過顯示界面查看設備狀態，設置設備參數，實現遠程監控、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、以太網口等。實現的嵌入式系統硬件框圖如圖2-2所示[3]:

2.3.2 Linux下設備驅動程序的開發

Linux系統中，內核提供保護機制，用戶空間的進程一般不能直接訪問硬件。Linux設備被抽象出來，所有設備都看成文件。用戶進程通過文件系統的接口訪問設備驅動程序，設備驅動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現

3.1 RTAI實時硬件抽象層的實現機理

引入新的數據結構rt_hal，形成了實時硬件抽象層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, /*關中斷函數*/
Linux_sti, /*開中斷函數*/
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，指向函數的指針變量指向實現原來標準Linux中開、關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，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中實現的同名函數，在RTAI中實現的關中斷函數如下:

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

在RTAI中引入新的數據結構processor，描述和中斷有關的處理器的狀態:

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];

當執行關中斷時，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標志來關中斷，解決了Linux中長期關中斷的問題。

3.2 采用RTAI增強Linux實時性的實現[4]

通過修改Linux內核相關的源文件，形成實時硬件抽象層。執行insmod命令，掛載上提供實時服務的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環境下開發應用程序。

3.3 基于RTAI-Linux的應用程序的開發

針對工業測控系統的數據采集、數據處理、控制、通信等具體應用，將應用程序分為實時任務和非實時任務。實時任務利用RTAI提供的API來開發，編寫成內核模塊，工作在Linux的核心態。用戶進程可利用Linux操作系統提供的大量資源，進行TCP/IP網絡通信，開發圖形用戶界面程序等。實時任務之間、實時任務和非實時任務之間可通過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。

數據采集任務的實現在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時FIFO中*/
rt_task_wait_period();
}
int int_module(void)
rtime tick_period;
rt_set_periodic_mode(); /*將定時器設置為周期模式*/
rt_task_init(rt_task,data_collect,l,Stack_size,task_priority,1,0);/*初始化數據采集任務*/
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));/*用戶進程從實時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，能保證測控任務完成的實時性、可靠性，可以連到工業以太網，實現遠程監控，在工業控制領域有很好的應用前景。

本文作者的創新點：在嵌入式系統軟件的設計與實現上，提供了開發實時應用程序的接口；利用實時應用接口(RTAI)來增強Linux的實時性，并引入實時硬件抽象層結構(rthal)、實時調度器、實時FIFO等實時服務；給出了在RTAI-Linux環境下開發工業測控系統中實時應用程序的方法