基于Linux的嵌入式工業(yè)測控系統(tǒng)
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文摘:該文針對當前工業(yè)控制領(lǐng)域網(wǎng)絡控制技術(shù)的快速發(fā)展，給出了一種應用于測控系統(tǒng)的基于Linux的嵌入式系統(tǒng)的設計方案。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。并利用實時應用接口(RTAI)來增強Linux的實時性，引入實時硬件抽象層結(jié)構(gòu)(RTHAL)，利用Linux的內(nèi)核模塊機制提供實時服務和完成實時任務，解決了Linux實時性不足的問題。通過數(shù)據(jù)采集程序的實現(xiàn)給出了在RTAI-Linux環(huán)境下開發(fā)實時應用程序的設計方法。
關(guān)鍵詞：Linux；嵌入式系統(tǒng)；測控系統(tǒng)；實時操作系統(tǒng)；RTAI
1、前言
隨著網(wǎng)絡控制技術(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)絡的優(yōu)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(tǒng)的廣泛應用和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)應用領(lǐng)域的特點對它進行定制開發(fā)，以滿足實際應用需要。
2、基于Linux的嵌入式系統(tǒng)在測控系統(tǒng)中的設計
計算機測控系統(tǒng)本質(zhì)上就是計算機控制系統(tǒng)，為了對被控對象實施控制，對其參數(shù)和狀態(tài)進行檢測是必不可少的。
2.1 測控系統(tǒng)整體設計
測控系統(tǒng)以基于Linux的嵌入式系統(tǒng)為核心，應用程序可通過網(wǎng)絡進行更新，通過鍵盤進行人機對話，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)和報警信息還可通過串口向上位機傳輸，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備狀態(tài)，設置設備參數(shù)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控、遠程維護。
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)硬件設計
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、可擴展的UO接口、打印機接口、與PC機通信的串行接口、以太網(wǎng)口等。實現(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下設備驅(qū)動程序的開發(fā)
Linux系統(tǒng)中，內(nèi)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(tǒng)的接口訪問設備驅(qū)動程序，設備驅(qū)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(shù)據(jù)并提交給內(nèi)核；③從內(nèi)核接受數(shù)據(jù)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(tǒng)的軟件實現(xiàn)
3.1 RTAI實時硬件抽象層的實現(xiàn)機理
引入新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)rt_hal，形成了實時硬件抽象層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(shù)的指針變量指向?qū)崿F(xiàn)原來標準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);
}
當加載RTAI模塊時，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中實現(xiàn)的同名函數(shù)，在RTAI中實現(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];
當執(zhí)行關(guān)中斷時，只是將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(guān)中斷，解決了Linux中長期關(guān)中斷的問題。
3.2 采用RTAI增強Linux實時性的實現(xiàn)[4]
通過修改Linux內(nèi)核相關(guān)的源文件，形成實時硬件抽象層。執(zhí)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(huán)境下開發(fā)應用程序。
3.3 基于RTAI-Linux的應用程序的開發(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(fā)，編寫成內(nèi)核模塊，工作在Linux的核心態(tài)。用戶進程可利用Linux操作系統(tǒng)提供的大量資源，進行TCP/IP網(wǎng)絡通信，開發(fā)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(nèi)存等方法通信。RTAI-Linux應用程序結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。
圖3-1 RTAI-Linux應用程序結(jié)構(gòu)圖
數(shù)據(jù)采集任務的實現(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(shù)據(jù)采集任務*/
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));/*用戶進程從實時FIFO中讀取數(shù)據(jù)*/
printf("data%f",data_value)
}
4、結(jié)論
本文給出了一種應用于測控系統(tǒng)的基于Linux的嵌入式系統(tǒng)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(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控，在工業(yè)控制領(lǐng)域有很好的應用前景。
本文作者的創(chuàng)新點：在嵌入式系統(tǒng)軟件的設計與實現(xiàn)上，提供了開發(fā)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(jié)構(gòu)(rthal)、實時調(diào)度器、實時FIFO等實時服務；給出了在RTAI-Linux環(huán)境下開發(fā)工業(yè)測控系統(tǒng)中實時應用程序的方法。
參考文獻：
[1] 王躍科等.基于網(wǎng)絡互聯(lián)的分布式測控系統(tǒng)開放體系結(jié)構(gòu)與技術(shù)[J].計算機測量與控制，2002.10
[2] 須文波.基于Linux的嵌入式系統(tǒng)在測控系統(tǒng)中的設計與應用[D].江南大學碩士學位論文，2003.3
[3] 胡在華等.一種新型嵌入式測控網(wǎng)絡的設計與應用[J].微型機與應用，2002.21
[4] 陳繼榮，黃建華.Linux操作系統(tǒng)實時性分析及改進策略[J].微計算機信息，2005年第21卷.第11-2期.P67-P69
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