摘  要：針對當前工業控制領域對測控系統提出的將測控分散到現場、實現遠程監控的要求，給出了一種應用于測控系統的基于Linux的嵌入式系統的設計方案，能保證測控任務完成的實時性、可靠性，可以連到工業以太網，實現遠程監控，在工業控制領域有很好的應用前景。
關鍵詞：嵌入式系統；Linux；測控系統；網絡控制；工業以太網

0  引  言

    當前，在工業控制領域，網絡控制技術快速發展。網絡控制要求測控系統必須具備兩方面的功能：一方面要在現場完成復雜的測控任務，通常一些任務具有一定的實時性的要求；另一方面要求測控系統能夠與某一類型的控制網相連，實現遠程監控。而在目前應用的大多數測控系統中，嵌入式系統的硬件采用8/16位的單片機；軟件多采用匯編語言編程，僅包含一個簡單的循環處理的控制流程；單片機與單片機或上位機之間通信通過RS232、RS485來組網。這些網絡存在通信速度慢、聯網功能差、開發困難的問題。而工業以太網已逐步完善，在工業控制領域獲得越來越多的應用。工業以太網使用了TCP/IP協議，便于聯網，并具有高速控制網絡的優點。現在，32位嵌入式CPU價格的下降，性能指標的提高，為嵌入式系統的廣泛應用提供了可能性。基于上述情況，我們將嵌入式系統應用于測控系統，可大大提高測控系統的性能，嵌入式系統一般應用嵌入式操作系統來開發。在嵌入式操作系統的選擇上，由于Linux有完整開放的源代碼，可針對具體應用修改和優化系統，內核穩定，適用于多種CPU和多種硬件平臺，支持網絡等特點，因而選擇Linux作為嵌入式操作系統。

1  測控系統總體設計

1.1  設計目標

    測控系統以基于Linux的嵌入式系統為核心，設計目標歸納起來主要有以下幾點：

(1)測控任務在現場完成。測控系統采用分散的控制策略，系統正常運行時上位機只起到狀態監控的作用。在工業現場完成數據測量、數據處理、過程控制等多種任務，能確保一些任務完成的實時性。

(2)具有一定的自診斷、自校正的功能，將故障情況上傳給上位機，便于維護人員查錯、排錯。具有動態顯示和數據存儲能力。

(3)測控系統可連到工業以太網，通過工業以太網實現遠程監控。

1.2  技術路線

    嵌入式系統以嵌入式微處理器為核心，運行嵌入式Linux 操作系統。應用程序可通過網絡進行更新；通過鍵盤進行人機對話；數據可通過LCD現場顯示；重要數據可以文件形式保存在Flash存儲器中；數據和報警信息可通過串口向上位機傳輸，也可通過以太網口向工業以太網或Inernet發布信息，用戶通過顯示界面查看設備狀態，設置設備參數，實現遠程監控、遠程維護。

1.3  總體框圖

圖1  系統框圖

2  基于Linux的嵌入式系統的設計

2.1  硬件設計

    考慮一般測控系統對嵌入式系統要求比較多的功能有：鍵盤接口、顯示接口、A/D(或D/A)轉換單元、可擴展的I/O接口、打印機接口、與PC機通信的串行接口、以太網口等。實現的嵌入式系統硬件框圖如下：

圖2  硬件框圖

    針對測控系統的應用，選擇Motorola的Coldfire系列的MCF5307.MCF5307是一款高性能、低價位、高集成度的微處理器，為嵌入式控制應用而設計。MCF5307的處理能力達70 MIPS，工作頻率88.47 MHz，總線頻率44.236 MHz，為運行Linux提供硬件上的支持，在開發板上還集成有16 M的SDRAM、2 M的FLASH、10 baseT以太網接口、RS232/RS485串口、I/O接口等。

2.2  軟件設計

    嵌入式操作系統是整個嵌入式系統的核心。我們選擇Linux，但典型的Linux是為桌面配置的，內核十分龐大，而嵌入式系統的RAM存儲容量很小，因此，要把Linux操作系統裝入有限的內存，就要對它進行裁剪，在裁剪過程中涉及的主要技術有：

(1) 內核的精簡。標準Linux是面向PC的，集成了許多PC需要而嵌入式系統并不需要的功能。對一些可獨立加上或卸下的功能塊，可在編譯內核時，僅保留嵌入式系統所需的功能支持模塊，刪除不需要的功能。例如，測控系統要連入以太網，就要提供對TCP/IP的支持，編譯時加上TCP/IP棧；而SCSI、 Floppy之類的外設在我們的嵌入式系統中完全沒有必要，編譯時可去掉。這樣，重新編譯過的內核顯著減小。

(2) 虛擬內存機制的屏蔽。經過分析發現，虛擬內存是導致Linux實時性不強的原因之一。在工業控制中一些任務要滿足一定的實時性的要求，屏蔽內核的虛擬內存管理機制可以增強Linux的實時性。當要更改內核的某項機制時，一般不必大規模的改寫代碼，可采用條件編譯的方法。思路是用#ifdef或 #ifndef屏蔽現有語句，在#else宏編譯語句中包括自己編寫的代碼。實現虛擬內存的機制有：地址映射機制、內存分配和回收機制，緩存和刷新機制、請頁機制、交換機制、內存共享機制，將實現這些機制的數據結構和函數屏蔽或修改，還要修改與之相關的文件。需要改動的文件主要在 /include/linux、/mm、/drivers/char、/fs、/ipc/kernel、/init目錄下。主要的改動如下：與虛存有關的主要的數據結構是vm_area_struct，將進程的mm_struct結構中的vm_area_struct去掉，vm_area_struct利用了vm_ops來抽象出對虛擬內存的處理方法，屏蔽與虛擬內存操作有關的函數。內存映射主要由do_mmap()實現，改寫此函數的代碼。取消交換操作，屏蔽用于交換的結構和函數聲明，以及實現交換的代碼。取消內核守護進程kswapd.

(3) 設備驅動程序的編寫。確定了內核的基本功能后，就要為特定的設備編寫驅動程序，可按照在Linux下編寫驅動程序的規則編寫。編寫的設備驅動程序應具有以下功能：①對設備初始化和釋放；②把數據從內核傳到硬件和從硬件讀取數據；③讀取應用程序傳遞給設備文件的數據和回送應用程序請求的數據；④檢測和處理設備出現的錯誤。

    實現上述步驟后，一個小型的Linux 操作系統就構造完成了。構造后的Linux包括進程管理、內存管理和文件管理，支持多任務并行；開發基于閃存的文件系統，應用程序和重要數據以文件的形式被存放在閃存文件系統中；有完整的TCP/IP協議棧，Linux內建有對以太網控制器的支持，可以通過以太網口連到工業以太網上，實現遠程監控。

    還要將裁剪好的內核移植到所用的目標板上，通常移植內核時，首先要將內核編譯成針對該處理器的目標代碼。而我們所用的嵌入式微處理器MCF5307 是ColdFire系列，它有一些不同于其它CPU的地方，一些內核程序要改寫，涉及到編寫Linux的引導代碼和修改與體系結構相關部分的代碼，主要是內存管理和中斷處理部分。將Flash作為系統的啟動設備，引導代碼放在Flash上。系統加電后，由引導代碼進行基本的硬件初始化，然后把內核映象裝入內存運行。

    對于應用程序的開發，針對測控系統的具體應用，利用Linux 提供API接口開發應用程序。測控系統要完成多個任務，因為屏蔽了虛擬內存機制，所有的任務共同享有物理內存，存在于統一的線性空間中。任務中的地址為真正的物理地址，由于不需要進行地址空間映射，在任務切換時的上下文切換時間大大減少，提高了響應的速度，實時性增強。Linux采用基于優先級的輪轉法調度策略，能夠實現多個任務并行。各個任務的實時性要求不同，可通過劃分優先級，使實時性要求高的任務劃分為實時進程，具有較高的優先級，優先得到調度，保證一定的實時性的要求。任務間通過信號量、消息隊列等機制通信。

    在嵌入式系統中軟件開發的主要模塊有：數據采集模塊，數據處理模塊，數據顯示模塊，通信和數據發布模塊，故障診斷模塊。其中故障診斷模塊實現實時自診斷，在系統工作期間，對系統內部進行部分測試。即將診斷程序設置在嵌入式系統中中斷級別最低的中斷服務程序，在不影響系統工作的前提下，進行實時診斷。如發現故障且復診后仍有錯，通過顯示界面顯示，并上傳給上位機，保證系統的可靠性。

    在嵌入式Linux的開發中，采用主—從模式，通過串行口或以太網口，使目標板和宿主機相連。使用的是GNU的系列工具，GNU具有免費開放的源代碼，也為我們開發基于Linux的應用程序提供了方便。它包括一系列的開發調試工具。主要組件有：

gcc：編譯器，可做成交叉編譯的形式，即在宿主機上開發編譯目標機上可運行的二進制文件；

Binutils：一些輔助工具，包括objdump(可以反編譯二進制文件)、as(匯編編譯器)、ld(連接器)等等；

Gdb：調試器，可使用多種交叉調試方式，如gdbserve(使用以太網絡調試)。

    最后，將調試好的內核和應用程序燒錄到閃存中。裁剪后的Linux已成經功移植到目標平臺上，在開發板上運行良好。經過測試，已滿足一般的實時性要求。

3  結  論

    我們開發的基于Linux 的嵌入式系統應用于測控系統，能滿足當前工業控制領域對測控系統提出的要求，保證測控任務完成的實時性、可靠性，可連到工業以太網實現遠程監控。其硬件，接口采用插板的形式，結構簡單，易于裝卸，方便系統集成和維護。軟件方面，用戶可針對具體應用作相應修改或刪除即可，因而提高了測控系統的開發效率，在工業控制領域有很好的應用前景。

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