基于Linux的嵌入式测控系统设计

 0 引 言

当前，在工业控制领域，网络控制技术快速发展。网络控制要求测控系统必须具备两方面的功能：一方面要在现场完成复杂的测控任务，通常一些任务具有一定的实时性的要求；另一方面要求测控系统能够与某一类型的控制网相连，实现远程监控。而在目前应用的大多数测控系统中，嵌入式系统的硬件采用8/16位的单片机；软件多采用汇编语言编程，仅包含一个简单的循环处理的控制流程；单片机与单片机或上位机之间通信通过RS232、RS485来组网。这些网络存在通信速度慢、联网功能差、开发困难的问题。而工业以太网已逐步完善，在工业控制领域获得越来越多的应用。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。现在，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提供了可能性。基于上述情况，我们将嵌入式系统应用于测控系统，可大大提高测控系统的性能，嵌入式系统一般应用嵌入式 *** 作系统来开发。在嵌入式 *** 作系统的选择上，由于Linux有完整开放的源代码，可针对具体应用修改和优化系统，内核稳定，适用于多种CPU和多种硬件平台，支持网络等特点，因而选择Linux作为嵌入式 *** 作系统。

1 测控系统总体设计

1.1 设计目标

测控系统以基于Linux的嵌入式系统为核心，设计目标归纳起来主要有以下几点：

(1)测控任务在现场完成。测控系统采用分散的控制策略，系统正常运行时上位机只起到状态监控的作用。在工业现场完成数据测量、数据处理、过程控制等多种任务，能确保一些任务完成的实时性。

(2)具有一定的自诊断、自校正的功能，将故障情况上传给上位机，便于维护人员查错、排错。具有动态显示和数据存储能力。

(3)测控系统可连到工业以太网，通过工业以太网实现远程监控。

1.2 技术路线

嵌入式系统以嵌入式微处理器为核心，运行嵌入式Linux *** 作系统。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；数据和报警信息可通过串口向上位机传输，也可通过以太网口向工业以太网或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。

1.3 总体框图

图1 系统框图

2 基于Linux的嵌入式系统的设计

2.1 硬件设计

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I/O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下：

图2 硬件框图

针对测控系统的应用，选择Motorola的Coldfire系列的MCF5307.MCF5307是一款高性能、低价位、高集成度的微处理器，为嵌入式控制应用而设计。MCF5307的处理能力达70 MIPS，工作频率88.47 MHz，总线频率44.236 MHz，为运行Linux提供硬件上的支持，在开发板上还集成有16 M的SDRAM、2 M的FLASH、10 baseT以太网接口、RS232/RS485串口、I/O接口等。

2.2 软件设计

嵌入式 *** 作系统是整个嵌入式系统的核心。我们选择Linux，但典型的Linux是为桌面配置的，内核十分庞大，而嵌入式系统的RAM存储容量很小，因此，要把Linux *** 作系统装入有限的内存，就要对它进行裁剪，在裁剪过程中涉及的主要技术有：

(1) 内核的精简。标准Linux是面向PC的，集成了许多PC需要而嵌入式系统并不需要的功能。对一些可独立加上或卸下的功能块，可在编译内核时，仅保留嵌入式系统所需的功能支持模块，删除不需要的功能。例如，测控系统要连入以太网，就要提供对TCP/IP的支持，编译时加上TCP/IP栈；而SCSI、 Floppy之类的外设在我们的嵌入式系统中完全没有必要，编译时可去掉。这样，重新编译过的内核显著减小。

(2) 虚拟内存机制的屏蔽。经过分析发现，虚拟内存是导致Linux实时性不强的原因之一。在工业控制中一些任务要满足一定的实时性的要求，屏蔽内核的虚拟内存管理机制可以增强Linux的实时性。当要更改内核的某项机制时，一般不必大规模的改写代码，可采用条件编译的方法。思路是用#ifdef或 #ifndef屏蔽现有语句，在#else宏编译语句中包括自己编写的代码。实现虚拟内存的机制有：地址映射机制、内存分配和回收机制，缓存和刷新机制、请页机制、交换机制、内存共享机制，将实现这些机制的数据结构和函数屏蔽或修改，还要修改与之相关的文件。需要改动的文件主要在 /include/linux、/mm、/drivers/char、/fs、/ipc/kernel、/init目录下。主要的改动如下：与虚存有关的主要的数据结构是vm_area_struct，将进程的mm_struct结构中的vm_area_struct去掉，vm_area_struct利用了vm_ops来抽象出对虚拟内存的处理方法，屏蔽与虚拟内存 *** 作有关的函数。内存映射主要由do_mmap()实现，改写此函数的代码。取消交换 *** 作，屏蔽用于交换的结构和函数声明，以及实现交换的代码。取消内核守护进程kswapd.