基于Linux的嵌入式工业测控系统

1. 测控技术与仪器 基于Linux的嵌入式工业测控系统 韩永龙 A204236 2007.11.26

2. 3 2 4 1 嵌入式系统及特点 测控系统简介 测控系统总体设计 嵌入式系统设计方法 主要内容

3. 什么是嵌入式系统及其应用 小至电子体温计,大致飞机的自动导航系统

4. 嵌入式系统的广泛应用 机顶盒 家庭网关 互联网 汽车 游戏 视频 无线 手机 PDA

5. 典型的嵌入式系统组成 应用 文件系统/GUI/API OS Linux、u/COS、Wince… 软件 驱动层 BSP/driver/HAL 电源管理 硬件 处理器 Flash SDRAM SRAM GPIO CAN 输入 输出 USB MMU DMA LCD 以太网 看门狗 复位电路 LCD/触摸屏/鼠标

6. 测控系统简介 测控系统是一个广阔的领域，涉及到工控机，总线，接口技术，传感技术，通信 技术，控制方法，编程技术，多任务实时操作系统……等多方面的知识。 测量与控制系统是人类认识世界，改造世界意志的科学技术的实现。是利用最新物理学理论和效应的基础上,利用最现代化的技术手段来研究客观的学科，他的发展,促进了自然科学的进步及生产的现代化。现代科学技术，特别是制造业，对测量的精度，效率要求越来越高。已经从静态到动态，从实验室到现场，从单要素测量到全息测量，从单纯测量到反馈控制。

7. 测控系统实现 各种测控系统和智能仪器、仪表基本组成包括：传感器、计算机系统、执行器。现在，传感器、执行器的通用性越来越好，设计自动测控系统或智能仪器仪表有标准的4～20mA或0～10mA的标准信号输出的传感器和接受标准驱动信号的执行器供选择，因此，设计者只需设计计算机系统部分，计算机系统基本结构是一致的，仅涉及到具体芯片选择，实现途径大同小异，加之单片机技术的迅猛发展，其集成度越来越高，功能越来越强，接口更容易，

8. 航天测控系统 对运行中的航天器（运载火箭、人造地球卫星、宇宙飞船和其他空间飞行器）进行跟踪、测量和控制的大型电子系统。 　　发展概况 第二次世界大战以后不久,在火箭试验中就已采用某些光学和电子测量系统，例如光学跟踪经纬仪和多普勒测速仪。但是作为完整的航天测控系统，则是在人造地球卫星出现之后才逐步形成的。最早的较为完整的航天测控系统是美国航空航天局(NASA)于1961年发射“水星”号载人飞船时使用的全球跟踪网。这个系统在全球布有16个跟踪站，其中14个站有雷达测量系统，15个站有遥测接收系统，6个站有遥控系统,14个站有对飞船的通信系统。每个站均有自己的时间统一系统，全系统的时间则经与天文时间发播台的时号相比对而统一起来。测控中心设在戈达德航天中心,配有2台IBM-7090计算机作为实时计算、决策和控制之用。全系统靠全球性的通信网来相互连接，但其中相当一部分线路是租用的。随后，“阿波罗”号登月飞船、同步通信卫星、同步气象卫星和航天飞机相继发射,测控系统更趋完善,特别是实时控制方面的功能和自动化程度均有很大的提高。除了对近地卫星和飞船的测控系统外，还建立了对行星际探测的深空测控网。 　　中国航天测控系统也是在航天事业的发展中逐步臻于完善的。在大陆上已经建立了多个测控站和一个测控通信中心。为了扩展观测范围,还建造了海上测量船,以便驶往远洋对航天器进行跟踪观测。在整个测控系统中使用了多台计算机，并有贯通各个测控站、测量船和测控中心的通信网络。

9. 系统组成 　 航天测控系统包括以下各种系统。前 3个系统，由地面的和装在航天器上的两部分电子设备组成。 　　①　跟踪测量系统：跟踪航天器，测定其弹道或轨道。 　　②　遥测系统：测量和传送航天器内部的工程参数和用敏感器测得的空间物理参数。 　　③　遥控系统：通过无线电对航天器的姿态、轨道和其他状态进行控制。 　　④　计算系统：用于弹道、轨道和姿态的确定和实时控制中的计算。 　　⑤　时间统一系统：为整个测控系统提供标准时刻和时标。 　　⑥　显示记录系统：显示航天器遥测、弹道、轨道和其他参数及其变化情况，必要时予以打印记录。 　　⑦　通信、数据传输系统：作为各种电子设备和通信网络的中间设备，沟通各个系统之间的信息，以实现指挥调度。

10. 工业控制发展 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操作系统来开发。在嵌入式操作系统的选择上，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作为嵌入式操作系统。

11. 网络技术在嵌入式系统中的作用 随着网络控制技术的快速发展，工业以太网得到逐步完善，在工业控制领域获得越来越广泛的应用。工业以太网使用了TCP/IP协议，便于联网，并具有高速控制网络的优点。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。

12. 测控系统总体设计 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。

13. 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 操作系统。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。

14. 总体框架 嵌入式系统以嵌入式微处理器为核心，运行嵌入式Linux 操作系统。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。

15. 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：

16. 处理器的选择 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。

17. 软件设计 嵌入式操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操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：

18. (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。

19. (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，屏蔽与虚拟内存操作有关的函数。内存映射主要由do_mmap()实现，改写此函数的代码。取消交换操作，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.

20. (3) 设备驱动程序的编写。 确定了内核的基本功能后，就要为特定的设备编写驱动程序，可按照在Linux下编写驱动程序的规则编写。编写的设备驱动程序应具有以下功能：①对设备初始化和释放；②把数据从内核传到硬件和从硬件读取数据；③读取应用程序传递给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据；④检测和处理设备出现的错误。

21. Linux 操作系统优化 实现上述步骤后，一个小型的Linux 操作系统就构造完成了。构造后的Linux包括进程管理、内存管理和文件管理，支持多任务并行；开发基于闪存的文件系统，应用程序和重要数据以文件的形式被存放在闪存文件系统中；有完整的TCP/IP协议栈，Linux内建有对以太网控制器的支持，可以通过以太网口连到工业以太网上，实现远程监控。

22. 内核的移植、编译 还要将裁剪好的内核移植到所用的目标板上，通常移植内核时，首先要将内核编译成针对该处理器的目标代码。而我们所用的嵌入式微处理器MCF5307 是ColdFire系列，它有一些不同于其它CPU的地方，一些内核程序要改写，涉及到编写Linux的引导代码和修改与体系结构相关部分的代码，主要是内存管理和中断处理部分。将Flash作为系统的启动设备，引导代码放在Flash上。系统加电后，由引导代码进行基本的硬件初始化，然后把内核映象装入内存运行。

23. 应用程序的开发 对于应用程序的开发，针对测控系统的具体应用，利用Linux 提供API接口开发应用程序。测控系统要完成多个任务，因为屏蔽了虚拟内存机制，所有的任务共同享有物理内存，存在于统一的线性空间中。任务中的地址为真正的物理地址，由于不需要进行地址空间映射，在任务切换时的上下文切换时间大大减少，提高了响应的速度，实时性增强。Linux采用基于优先级的轮转法调度策略，能够实现多个任务并行。各个任务的实时性要求不同，可通过划分优先级，使实时性要求高的任务划分为实时进程，具有较高的优先级，优先得到调度，保证一定的实时性的要求。任务间通过信号量、消息队列等机制通信。

24. 应用程序的开发 在嵌入式系统中软件开发的主要模块有：数据采集模块，数据处理模块，数据显示模块，通信和数据发布模块，故障诊断模块。其中故障诊断模块实现实时自诊断，在系统工作期间，对系统内部进行部分测试。即将诊断程序设置在嵌入式系统中中断级别最低的中断服务程序，在不影响系统工作的前提下，进行实时诊断。如发现故障且复诊后仍有错，通过显示界面显示，并上传给上位机，保证系统的可靠性。

25. 应用程序的开发 在嵌入式Linux的开发中，采用主—从模式，通过串行口或以太网口，使目标板和宿主机相连。使用的是GNU的系列工具，GNU具有免费开放的源代码，也为我们开发基于Linux的应用程序提供了方便。它包括一系列的开发调试工具。主要组件有： gcc：编译器，可做成交叉编译的形式，即在宿主机上开发编译目标机上可运行的二进制文件； • Binutils：一些辅助工具，包括objdump(可以反编译二进制文件)、as(汇编编译器)、ld(连接器)等等； Gdb：调试器，可使用多种交叉调试方式，如gdbserve(使用以太网络调试)。

26. 最终的调试、测试 最后，将调试好的内核和应用程序烧录到闪存中。裁剪后的Linux已成经功移植到目标平台上，在开发板上运行良好。经过测试，已满足一般的实时性要求。

27. 总结 我们开发的基于Linux 的嵌入式系统应用于测控系统，能满足当前工业控制领域对测控系统提出的要求，保证测控任务完成的实时性、可靠性，可连到工业以太网实现远程监控。其硬件，接口采用插板的形式，结构简单，易于装卸，方便系统集成和维护。软件方面，用户可针对具体应用作相应修改或删除即可，因而提高了测控系统的开发效率，在工业控制领域有很好的应用前景。

28. 设计过程 在智能仪器的开发和设计中，首先要明确设计准则及要求，其次制定系统方案，最后是方案的具体实施。设计准则及要求，就是使设计的智能仪器根据实际的需要采用先进技术，进行标准化、系统化设计，使其具有较完善的操作性能，同时要求智能仪器可靠、安全、实用、性能价格比高。制定系统方案，是根据设计的任务要求提出几种设想、规划，并且加以比较推敲，选择一种认为是可行、较好的方案作为初步方案，然后对系统的指导思想、技术原则、技术指标、可靠性、性价比进行方案评估，最后根据评价的结果制定系统的设计方案。方案实施需要对系统的硬件、软件设计部分进行调试，在各部分通过之后，在进行统调，从而完成智能仪器的实际。下面就系统设计与开发方案实施过程的一些主要步骤加以说明。

29. 1. 确定系统规模大小。系统总体方案确定之后，则首先要预估系统软、硬件规模的大小，硬件核心部件选型，容量，对外的I/O数，通道数，模块数等。

30. 2. 软、硬件权衡分配。 • 2. 软、硬件权衡分配。在既定的总体规模中再进一步权衡。哪些模块用硬件完成，哪些可以用软件完成，合理调整好硬、软件搭配。原则上讲，硬件功能软件也可以完成，反之亦然。但在不同场合， 软、硬件将各有特长，要是系统达到较高的性价比，必须使系统有恰当的软、硬件比例。一般地讲，硬件速度快，但应变灵活性小，扩展功能要另添部件；而软件处理速度慢，但变更灵活性大，添加功能只要对软件作适当修改即可。至于价格，硬件是需较大投资，软件相对小些。软件和硬件在逻辑功能上是等效的。具有相同功能的单片机应用系统，其软、硬件功能分配可以在很宽的范围内变化，系统的软硬件功能分配要根据系统的要求而定。提高硬件功能的比例可以提高速度，减少所需的存储容量，有利于监测和控制的实时性，但会增加硬件成本以及降低硬件的利用率和系统的灵活性与实用性。相反，提高软件功能的比例可以降低硬件的造价，提高灵活性和适应性，但相应速度要下降，软件设计费用和所需存储器容量要增加。

31. 3. 硬件部分调试：解决了软件、硬件分配之后，硬、软件设计可分开进行，但是相互间的联系很多，故也可交叉进行。硬件先逐个建立，并进行初步调试。

32. 4. 软件模块的调试。一般要借助于目标系统向同机种的高中档微机系统，后采用专门的微机开发系统作为工具。将编写好的源程序送入工具微机系统，进行编辑、编译、形成目标程序，以便对软件进行单独初初步调试。

33. 联机调试。将软件、硬件进行联调，最好能使用带有仿真器的微机开发系统，这样可以获得高效率的调试结果，逐步排除故障，完成调试任务。联机调试。将软件、硬件进行联调，最好能使用带有仿真器的微机开发系统，这样可以获得高效率的调试结果，逐步排除故障，完成调试任务。

34. 谢谢！