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基于Linux的嵌入式工业测控系统

发布时间:2019-10-13 06:05:30 编辑:笔名

  基于Linux的嵌入式工业测控系统

  随着络控制技术的快速发展,工业以太得到逐步完善,在工业控制领域获得越来越广泛的应用。工业以太使用了TCP/IP协议,便于联,并具有高速控制络的优点。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

  图 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、以太口等。实现的嵌入式系统硬件框图如图所示[3]:

  图 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)

  {

  sint=linux_cli;

  int=linux_sti;

  tflags=linux_save_flags;

  tflags=linux_restore_flags;

  sk_and_ack_8259A=trpd_mask_and_ack_irq;

  mask_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

  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:

  Linux tick at 100Hz

  Calibrated cpu frequency Hz

  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应用程序结构如图所示。

  图 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)){

  fprintf(stderr, Error opening/dev/rtf()\n

  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\n ,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,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。

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