基于Linux的嵌入式工业测控系统设计方案

1、前言

随着网络控制技术的快速发展，工业以太网得到逐步完善，在工业控制领域获得越来越广泛的应用。工业以太网使用了TCP/IP协议，便于联网，并具有高速控制网络的优点。随着32位嵌入式CPU价格的下降，性能指标的提高，为嵌入式系统的广泛应用和Linux在嵌入式系统中的发展提供了广阔的空间。由于Linux的高度灵活性，可以容易地根据应用领域的特点对它进行定制开发，以满足实际应用需要。

2、基于Linux的嵌入式系统在测控系统中的设计

计算机测控系统本质上就是计算机控制系统，为了对被控对象实施控制，对其参数和状态进行检测是必不可少的。

2.1 测控系统整体设计

测控系统以基于Linux的嵌入式系统为核心，应用程序可通过网络进行更新，通过键盘进行人机对话，数据可通过LCD现场显示。重要数据可以文件形式保存在Flash存储器中，数据和报警信息还可通过串口向上位机传输，也可通过以太网口向Inernet发布信息。用户通过显示界面查看设备状态，设置设备参数，实现远程监控、远程维护。

2.2 总体框图[1]

2.3 嵌入式系统硬件设计

2.3.1 硬件框图

考虑一般测控系统对嵌入式系统要求比较多的功能有:键盘接口、显示接口、A/D(或D/A)转换单元、可扩展的UO接口、打印机接口、与PC机通信的串行接口、以太网口等。实现的嵌入式系统硬件框图如图2-2所示[3]:

2.3.2 Linux下设备驱动程序的开发

Linux系统中，内核提供保护机制，用户空间的进程一般不能直接访问硬件。Linux设备被抽象出来，所有设备都看成文件。用户进程通过文件系统的接口访问设备驱动程序，设备驱动程序主要完成如下功能:

①探测设备和初始化设备；②从设备接受数据并提交给内核；③从内核接受数据送到设备；④检测和处理设备错误。

3、基于 RTAI-Linux的嵌入式系统的软件实现

3.1 RTAI实时硬件抽象层的实现机理

引入新的数据结构rt_hal，形成了实时硬件抽象层RTHAL(Real Time Hardware Abatract Layer),rt_hal结构体的定义如下:

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中初始化为rthal:
struct rt_hal rthal
{
idt_table, /*中断向量表*/
Linux_cli, /*关中断函数*/
Linux_sti, /*开中断函数*/
Linux_save_flags, /*保存中断前的标志*/
Linux_restore_flags, /*恢复中断前的标志*/
Task_and_ack_8259A, /*中断屏蔽*/
Enable_8259A_irq, /*中断使能*/
Linux_ack_APIC_irq,
(), /*在io_apic.c文件中设置*/
io_apic_irgs,
irq_controller_lock,
irq_desc,
irq_vector,
(), /*在io_apic.c文件中设置*/
ret_from_imr,
gdt_table, /*全局描述符表*/
idle_weight,
()
};

初始化rthal时，指向函数的指针变量指向实现原来标准Linux中开、关中断等功能的函数如下:

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);
}

当加载RTAI模块时，执行rt_mount_rtai函数如下:

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中指向函数的指针变量指向了RTAI中实现的同名函数，在RTAI中实现的关中断函数如下:

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

在RTAI中引入新的数据结构processor，描述和中断有关的处理器的状态:

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];

当执行关中断时，只是将数据结构processor中的中断标志位intr_flag设为0，而不是真正的清除eflags寄存器的IF标志来关中断，解决了Linux中长期关中断的问题。

3.2 采用RTAI增强Linux实时性的实现[4]

通过修改Linux内核相关的源文件，形成实时硬件抽象层。执行insmod命令，挂载上提供实时服务的rtai,rtai_sched,rtai_fifos模块，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)

加载上应用程序需要的RTAI模块后，就可以在RTAI-Linux环境下开发应用程序。

3.3 基于RTAI-Linux的应用程序的开发

针对工业测控系统的数据采集、数据处理、控制、通信等具体应用，将应用程序分为实时任务和非实时任务。实时任务利用RTAI提供的API来开发，编写成内核模块，工作在Linux的核心态。用户进程可利用Linux操作系统提供的大量资源，进行TCP/IP网络通信，开发图形用户界面程序等。实时任务之间、实时任务和非实时任务之间可通过Fifo队列和共享内存等方法通信。RTAI-Linux应用程序结构如图3-1所示。

数据采集任务的实现在rt_process.c中的主要函数如下:

static void data_collect()
{
rtf_put(FIFO,data_value,sizeof(data_value);/*将采集的数据放入实时FIFO中*/
rt_task_wait_period();
}
int int_module(void)
rtime tick_period;
rt_set_periodic_mode(); /*将定时器设置为周期模式*/
rt_task_init(rt_task,data_collect,l,Stack_size,task_priority,1,0);/*初始化数据采集任务*/
return ()
}
void cleanup_module(void)
{
stop_rt_timer();
rtf_destroy(FIFO);
rt_task_delete(rt_task);
return;
}

数据显示程序的实现在disaplay.c中的主要函数:

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));/*用户进程从实时FIFO中读取数据*/
printf(data%f ,data_value)
}

4、结论

本文给出了一种应用于测控系统的基于Linux的嵌入式系统的设计方案，能保证测控任务完成的实时性、可靠性，可以连到工业以太网，实现远程监控，在工业控制领域有很好的应用前景。

本文作者的创新点：在嵌入式系统软件的设计与实现上，提供了开发实时应用程序的接口；利用实时应用接口(RTAI)来增强Linux的实时性，并引入实时硬件抽象层结构(rthal)、实时调度器、实时FIFO等实时服务；给出了在RTAI-Linux环境下开发工业测控系统中实时应用程序的方法