1、前言

隨著嵌入式工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)/linux網(wǎng)絡(luò)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(lái)越廣泛的應(yīng)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(luò)的嵌入式工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)/linux優(yōu)點(diǎn)。隨著32位嵌入式cpu價(jià)格的下降，性能指標(biāo)的提高，為嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域的特點(diǎn)對(duì)它進(jìn)行定制開(kāi)發(fā)，以滿足實(shí)際應(yīng)用需要。

2、基于linux的嵌入式系統(tǒng)在測(cè)控系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)本質(zhì)上嵌入式工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)/linux就是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，為了對(duì)被控對(duì)象實(shí)施控制，對(duì)其參數(shù)和狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)是必不可少的。

2.1 測(cè)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)以基于linux的嵌入式嵌入式工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)/linux系統(tǒng)為核心，應(yīng)用程序可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更新，通過(guò)鍵盤進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，數(shù)據(jù)可通過(guò)lcd現(xiàn)場(chǎng)顯示。重要數(shù)據(jù)可以件形式保存在flash存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)和報(bào)警信息還可通過(guò)串口向上位機(jī)傳輸，也可通過(guò)以太網(wǎng)口向inernet發(fā)布信息。用戶通過(guò)顯示界面查看設(shè)備狀態(tài)，設(shè)置設(shè)備參數(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程嵌入式工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)/linux監(jiān)控、遠(yuǎn)程維護(hù)。

2.2 總體框圖

                                  圖2-1 嵌入式系統(tǒng)總體框圖

2.3 嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.3.1 硬件框圖

考慮一般測(cè)控系統(tǒng)對(duì)嵌入式系統(tǒng)嵌入式工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)/linux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(kuò)展的uo接口、打印機(jī)接口、與pc機(jī)通信的串行接口、以太網(wǎng)口等。實(shí)現(xiàn)的嵌入式系統(tǒng)硬件框圖如圖2-2所示:

                                  圖2-2 嵌入式系統(tǒng)硬件框圖

2.3.2 linux下設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)

linux系統(tǒng)中，內(nèi)核提供保護(hù)機(jī)制，用戶空間的進(jìn)程一般不能直接訪問(wèn)硬件。linux設(shè)備被抽象出來(lái)，所有設(shè)備都看成文件。用戶進(jìn)程通過(guò)文件系統(tǒng)的接口嵌入式工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)/linux訪問(wèn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要完成如下功能:

①探測(cè)設(shè)備和初始化設(shè)備；②從設(shè)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(shè)備；④檢測(cè)和處理設(shè)備錯(cuò)誤。

3、基于 rtai-linux的嵌入式系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 rtai實(shí)時(shí)硬件抽象層的實(shí)現(xiàn)機(jī)理

引入嵌入式工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)/linux新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)rt_hal，形成了實(shí)時(shí)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(kāi)中斷函數(shù)＊/

linux_save_flags, /＊保存中斷前的標(biāo)志＊/

linux_restore_flags, /＊恢復(fù)中斷前的標(biāo)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(shè)置＊/

&io_apic_irgs,

&irq_controller_lock,

irq_desc,

irq_vector,

(), /＊在io_apic.c文件中設(shè)置＊/

&ret_from_imr,

gdt_table, /＊全局描述符表＊/

&idle_weight,

()

};

初始化rthal時(shí)，指向函數(shù)的指針變量指向?qū)崿F(xiàn)原來(lái)標(biāo)準(zhǔn)linux中開(kāi)、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(dāng)加載rtai模塊時(shí)，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(shí)現(xiàn)的同名函數(shù)，在rtai中實(shí)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(dāng)嵌入式工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)/linux執(zhí)行關(guān)中斷時(shí)，只是將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)processor中的中斷標(biāo)志位intr_flag設(shè)為0，而不是真正的清除eflags寄存器的if標(biāo)志來(lái)關(guān)中斷，解決了linux中長(zhǎng)期關(guān)中斷的問(wèn)題。

3.2 采用rtai增強(qiáng)linux實(shí)時(shí)性的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)修改linux內(nèi)核相關(guān)的源文件，形成實(shí)時(shí)硬件抽象層。執(zhí)行insmod命令，掛載上提供實(shí)時(shí)服務(wù)的rtai,rtai_sched,rtai_fifos模塊，得到如下信息:

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(yīng)用程序需要的rtai模塊后，就可以在rtai-linux環(huán)境下開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。

3.3 基于rtai-linux的應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)

針對(duì)工業(yè)測(cè)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(yīng)用，將應(yīng)用程序分為實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)。實(shí)時(shí)任務(wù)利用rtai提供的api來(lái)開(kāi)發(fā)，編寫嵌入式工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)/linux成內(nèi)核模塊，工作在linux的核心態(tài)。用戶進(jìn)程可利用linux操作系統(tǒng)提供的大量資源，進(jìn)行tcp/ip網(wǎng)絡(luò)通信，開(kāi)發(fā)圖形用戶界面程序等。實(shí)時(shí)任務(wù)之間、實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)之間可通過(guò)fifo隊(duì)列和共享內(nèi)存等方法通信。rtai-linux應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。

圖3-1 rtai-linux應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集任務(wù)的實(shí)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(shí)時(shí)fifo中＊/

rt_task_wait_period();

}

int int_module(void)

rtime tick_period;

rt_set_periodic_mode(); /＊將定時(shí)器設(shè)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(wù)＊/

return ()

}

void cleanup_module(void)

{

stop_rt_timer();

rtf_destroy(fifo);

rt_task_de-lete(&rt_task);

return;

}

數(shù)據(jù)顯示程序的實(shí)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()\n");

exit(1);

}

read(fifo,&data_value,sizeof(data_value));/＊用戶進(jìn)程從實(shí)時(shí)fifo中讀取數(shù)據(jù)＊/

printf("data%f\n",data_value)

}

4、結(jié)論

本文給出了一種應(yīng)用于測(cè)控系統(tǒng)的基于linux的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，能保證測(cè)控任務(wù)完成的實(shí)時(shí)性、可靠性，可以嵌入式工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)/linux連到工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，在工業(yè)控制領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。