嵌入式Linux在工业控制领域中的应用

　　1　前言

　　随着Internet的飞速发展，网络应用越来越广泛，对各种工业控制设备的网络功能要求也越来越高。当前的要求是希望工业控制设备能够支持TCP／IP以及其它Internet协议，从而能够通过用户熟悉的浏览器查看设备状态、设置设备参数，或者将设备采集到的数据通过网络传送到Windows或Unix／Linux服务器上的数据库中。这就要求工控系统必须具备两方面的功能：一是要在现场完成复杂的测控任务，因为通常一些任务都具有一定的实时性要求；二是要求测控系统能够与某一类型的控制网相连，以实现远程监控。在目前应用的大多数测控系统中，嵌入式系统的硬件采用的是8／16位单片机；软件多采用汇编语言编程，由于这些程序仅包含一些简单的循环处理控制流程。因此，单片机与单片机或上位机之间的通信通常通过RS232、RS485来组网。这些网络存在通信速度慢、联网功能差、开发困难等问题。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。工业以太网使用的是TCP／IP协议，因而便于联网，并具有高速控制网络的优点。

　　现在，32位嵌入式CPU价格的下降和性能指标的提高，为嵌入式系统的广泛应用提供了可能。那么，限制嵌入式系统发展的瓶颈就突出地表现在软件方面。尽管从上世纪八十年代末开始，已经陆续出现了一些嵌入式操作系统(比较著名的有Vxwork、pSOS、Neculeus和WindowsCE等)，但这些专用操作系统都是商业化产品，其高昂的价格使许多生产低端产品的小公司望而却步；而且，源代码的封闭性也大大限制了开发者的积极性。嵌入式系统需要的是一套高度简练、界面友善、质量可靠、应用广泛、易开发、多任务，并且价格低廉的操作系统。如今，业界已经达成共识：即嵌入式linux是大势所趋。 嵌入式Linux操作系统以价格低廉、功能强大、易于移植等特点而正在被广泛采用，并已成为一种新兴力量。

　　2　嵌入式linux技术

　　嵌入式Linux是按照嵌入式操作系统的要求而设计的一种小型操作系统，它由一个Kernel(内核)及一些根据需要进行定制的系统模块组成。Kernel一般只有几百kB左右，即使加上其它必须的模块和应用程序，所需的存储空间也很小。它具有多任务、多进程的系统特征，有些还具有实时性。一个小型的嵌入式Linux系统只需要引导程序、Linux微内核、初始化进程3个基本元素。运行嵌入式Linux的CPU可以是x86、Alpha、Sparc、MIPS、PPC等。与这些芯片搭配的主板都很小，通常只有一张PCI卡大小，有的甚至更小。嵌入式Linux所需的存储器不是软磁盘、硬盘、Zip盘、CD-ROM、DVD这些众所周知的常规存储器，它主要使用Rom、CompactFlash、M-Systems的DiskOnChip、Sony的MemoryStick、IBM的MicroDrive等体积极小(与主板上的BIOS大小相近)，且存储容量不太大的存储器。它的内存可以使用普通的内存，也可以使用专用的RAM。

　　与其它嵌入式操作系统相比，Linux的源代码是开放的，不存在黑箱技术。Linux作为一种可裁剪的软件平台系统，很可能发展成为未来嵌入式设备产品的绝佳资源。Linux与生俱来的优秀网络血统更为今后的发展铺平了一条宽广平坦的大路。因此，在保持Linux内核系统更小、更稳定、更具价格竞争力等优势的同时，对系统内核进行实时性优化，更加使之能够适应对工业控制领域高实时性的要求。这也正是嵌入式linux操作系统在嵌入式工控系统中的发展所在。同时也使Linux成为嵌入式操作系统中的新贵。

　　标准的Linux内核通常驻留在内存中，每一个应用程序都是从磁盘运到内存上执行。当程序结束后，它所占用的内存就被释放，程序就被下载了。而在一个嵌入式系统里，可能没有磁盘。有两种途径可以消除对磁盘的依赖，一是在一个简单的系统里，当系统启动后，内核和所有的应用程序都存在内存里。这是大多数传统的嵌入式系统的工作模式，同样Linux。第二种就是linux所特有的功能，因为Linux已经有能力“加载”和“卸载”程序，因此，一个嵌入式系统就可以利用它来节省内存。一个比较典型的系统有大约8MB到16MB的闪存和8MBRAM?而闪存可以被用作文件系统。用闪存驱动程序作为从闪存到文件系统的界面就是一种选择。当然，也可以用一个闪存磁盘。用闪存来摆脱系统对一个磁盘的需求(依赖)具有DiskOnChip技术以及CmopactFlash卡等方式。

　　用来连接FlashMemory和文件系统的程序都以文件形式存储在Flash文件中，需要时可以装入内存，这种动态的、根据需要加载的能力是支持其它一系列功能的重要特征。它能使初始化代码在系统引导后被释放。实际上，Linux同样还有很多内核外运行的公用程序，这些程序通常在初始化时运行一次，以后就不再运行。而且，这些公用程序可以用它们相互共有的方式一个接一个地按顺序运行。这样，相同内存空间可以被反复使用以“召入”每一个程序，就象系统引导一样。这样可以节省内存，特别是那些配置一次以后就不再更改的网络堆栈。如果将Linux可加载模块的功能包括在内核里，驱动程序和应用程序就都可以被加载。由于它可以检查硬件环境并且为硬件装上相应的软件，从而消除了用一个程序占用许多FlashMemory来处理多种硬件的复杂性。另外，软件的升级更加模块化，可以在系统运行时在Flash上升级应用程序和加载驱动程序，其配置信息和运行时间参数可以作为数据文件储存在Flash中。

　　3 嵌入式工业控制网络的实现方案

　　基于嵌入式linux的工控系统以嵌入式微处理器为核心来运行嵌入式Linux操作系统。应用程序可通过网络进行更新，并可通过键盘进行人机对话，数据可通过LCD现场显示，重要数据可用文件形式保存在Flash等闪存存储器中；数据和报警信息可通过串口向上位机传输，也可以通过以太网向工业以太网或Inernet发布，用户还可通过网络实现远程监控和远程维护。更为关键的是，可充分利用Internet上已有的软件和协议(如：ftp，http以及Apache?PHP?MySQL等应用程序)迅速搭建前台数据采集系统，以实现测控系统和后台管理系统的通讯。图1所示是这种实现方案的系统框图。这种方式的优点有：

　　(1)不需专用的通信线路即可用现成的INTER-NET网络将数据传送到任何地方。

　　(2)不仅能够传递数据信号，也可以传递音频和图像信号。

　　(3) 由于目前的INTERNET协议是现成和公开的，因此，利用大到几十兆的 Microsoft IE浏览器，或小到只有600kB的Mosaic浏览器都可以对网络数据进行读取。

　　4　系统设计

　　4.1 硬件设计

　　嵌入式系统的硬件运行平台是开发应用程序的基础，整个开发板可基于IntelR SA-1110 微处理器架构。

　　一个嵌入式系统的硬件结构框图。该硬件针对网络服务的应用选择了Intel系列中的strongARM MCU。StrongARMSA-1110是一款高性能、低价位、高集成度微处理器。SA-1110芯片内部集成有能以206MHz运行的32-bit IntelRStron-garm＊ RISC处理器，以及速度可达100 MHz 的存储器总线和灵活的存储器控制器，可支持SDRAM、 SMROM以及variable-latency I／O设备，并可为系统设计提供较高的存储带宽。由于SA-1110可以适应较大流量的网络应用，因而可为运行Linux提供硬件上的支持。此外，SA-1110还在开发板上集成有32MB的SDRAM、8 MB的FLASH、10baseT以太网接口、RS232／RS485串口、I／O接口以及扩展FLASH卡存储器等。有关SA-1110更详细的资料可参考有关资料。

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