基于Linux的嵌入式工业测控系统

文  摘:该文针对当前工业控制领域网络控制技术的快速发展，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。利用Linux自身提供的条件编译系统，初步解决了Linux作为嵌入式操作系统面临的一些问题。并利用实时应用接口(RTAI)来增强Linux的实时性，引入实时硬件抽象层结构(RTHAL)，利用Linux的内核模块机制提供实时服务和完成实时任务，解决了Linux实时性不足的问题。通过数据采集程序的实现给出了在RTAI-Linux环境下开发实时应用程序的设计方法。
关键词：Linux；嵌入式系统；测控系统；实时操作系统；RTAI

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]

图2-1 嵌入式系统总体框图

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]:

图2-2 嵌入式系统硬件框图

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。

图3-1 RTAI-Linux应用程序结构图

    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。

参考文献：
[1] 王跃科等.基于网络互联的分布式测控系统开放体系结构与技术[J].计算机测量与控制，2002.10
[2] 须文波.基于Linux的嵌入式系统在测控系统中的设计与应用[D].江南大学硕士学位论文，2003.3
[3] 胡在华等.一种新型嵌入式测控网络的设计与应用[J].微型机与应用，2002.21
[4] 陈继荣，黄建华.Linux操作系统实时性分析及改进策略[J].微计算机信息，2005年第21卷.第11-2期.P67-P69