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嵌入式工業控制網絡怎樣來實現

來源: 網絡整理
2019/11/27 13:35:01 已瀏覽:

隨著Internet的飛速發展,網絡應用越來越廣泛,對各種工業控制設備的網絡功能要求也越來越高。當前的要求是希望工業控制設備能夠支持TCP/IP以及其它Internet協議,從而能夠通過用戶熟悉的瀏覽器查看設備狀態、設置設備參數,或者將設備采集到的數據通過網絡傳送到Windows或Unix/Linux服務器上的數據庫中。這就要求工控系統必須具備兩方面的功能:一是要在現場完成復雜的測控任務,因為通常一些任務都具有一定的實時性要求;二是要求測控系統能夠與某一類型的控制網相連,以實現遠程監控。在目前應用的大多數測控系統中,嵌入式系統的硬件采用的是8/16位單片機;軟件多采用匯編語言編程,由于這些程序僅包含一些簡單的循環處理控制流程。因此,單片機與單片機或上位機之間的通信通常通過RS232、RS485來組網。這些網絡存在通信速度慢、聯網功能差、開發困難等問題。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。工業以太網使用的是TCP/IP協議,因而便于聯網,并具有高速控制網絡的優點。


現在,32位嵌入式CPU價格的下降和性能指標的提高,為嵌入式系統的廣泛應用提供了可能。那么,限制嵌入式系統發展的瓶頸就突出地表現在軟件方面。盡管從上世紀八十年代末開始,已經陸續出現了一些嵌入式操作系統(比較*的有Vxworks、pSOS、Neculeus和Windows CE等),但這些專用操作系統都是商業化產品,其高昂的價格使許多生產低端產品的小公司望而卻步;而且,源代碼的封閉性也大大限制了開發者的積極性。嵌入式系統需要的是一套高度簡練、界面友善、質量可靠、應用廣泛、易開發、多任務,并且價格低廉的操作系統。如今,業界已經達成共識:即嵌入式Linux是大勢所趨。 嵌入式Linux操作系統以價格低廉、功能強大、易于移植等特點而正在被廣泛采用,并已成為一種新興力量。


嵌入式Linux技術

嵌入式Linux是按照嵌入式操作系統的要求而設計的一種小型操作系統,它由一個Kernel(內核)及一些根據需要進行定制的系統模塊組成。Kernel一般只有幾百kB左右,即使加上其它必須的模塊和應用程序,所需的存儲空間也很小。它具有多任務、多進程的系統特征,有些還具有實時性。一個小型的嵌入式Linux系統只需要引導程序、Linux微內核、初始化進程3個基本元素。運行嵌入式Linux的CPU可以是X86、Alpha、Sparc、MIPS、PPC等。與這些芯片搭配的主板都很小,通常只有一張PCI卡大小,有的甚至更小。嵌入式Linux所需的存儲器不是軟磁盤、硬盤、Zip盤、CD-ROM、DVD這些眾所周知的常規存儲器,它主要使用Rom、CompactFlash、M-Systems的Disk On Chip、Sony的Memory Stick、IBM的MicroDrive等體積極小(與主板上的BIOS大小相近),且存儲容量不太大的存儲器。它的內存可以使用普通的內存,也可以使用專用的RAM


與其它嵌入式操作系統相比,Linux的源代碼是開放的,不存在黑箱技術。Linux作為一種可裁剪的軟件平臺系統,很可能發展成為未來嵌入式設備產品的*資源。Linux與生俱來的*網絡血統更為今后的發展鋪平了一條寬廣平坦的大路。因此,在保持Linux內核系統更小、更穩定、更具價格競爭力等優勢的同時,對系統內核進行實時性優化,更加使之能夠適應對工業控制領域高實時性的要求。這也正是嵌入式Linux操作系統在嵌入式工控系統中的發展所在。同時也使Linux成為嵌入式操作系統中的新貴。


標準的Linux內核通常駐留在內存中,每一個應用程序都是從磁盤運到內存上執行。當程序結束后,它所占用的內存就被釋放,程序就被下載了。而在一個嵌入式系統里,可能沒有磁盤。有兩種途徑可以消除對磁盤的依賴,一是在一個簡單的系統里,當系統啟動后,內核和所有的應用程序都存在內存里。這是大多數傳統的嵌入式系統的工作模式,同樣Linux。第二種就是Linux所特有的功能,因為Linux已經有能力“加載”和“卸載”程序,因此,一個嵌入式系統就可以利用它來節省內存。一個比較典型的系統有大約8MB到16MB的閃存和8MB RAM,而閃存可以被用作文件系統。用閃存驅動程序作為從閃存到文件系統的界面就是一種選擇。當然,也可以用一個閃存磁盤。用閃存來擺脫系統對一個磁盤的需求(依賴)具有Disk On Chip技術以及CompactFlash卡等方式。


用來連接Flash Memory和文件系統的程序都以文件形式存儲在Flash文件中,需要時可以裝入內存,這種動態的、根據需要加載的能力是支持其它一系列功能的重要特征。它能使初始化代碼在系統引導后被釋放。實際上,Linux同樣還有很多內核外運行的公用程序,這些程序通常在初始化時運行一次,以后就不再運行。而且,這些公用程序可以用它們相互共有的方式一個接一個地按順序運行。這樣,相同內存空間可以被反復使用以“召入”每一個程序,就象系統引導一樣。這樣可以節省內存,特別是那些配置一次以后就不再更改的網絡堆棧。如果將Linux可加載模塊的功能包括在內核里,驅動程序和應用程序就都可以被加載。由于它可以檢查硬件環境并且為硬件裝上相應的軟件,從而消除了用一個程序占用許多Flash Memory來處理多種硬件的復雜性。另外,軟件的升級更加模塊化,可以在系統運行時在Flashh上升級應用程序和加載驅動程序,其配置信息和運行時間參數可以作為數據文件儲存在Flash中。


嵌入式工業控制網絡的實現方案

基于嵌入式Linux的工控系統以嵌入式微處理器為核心來運行嵌入式Linux操作系統。應用程序可通過網絡進行更新,并可通過鍵盤進行人機對話,數據可通過LCD現場顯示,重要數據可用文件形式保存在Flash等閃存存儲器中;數據和報警信息可通過串口向上位機傳輸,也可以通過以太網向工業以太網或Internet發布,用戶還可通過網絡實現遠程監控和遠程維護。更為關鍵的是,可充分利用Internet上已有的軟件和協議(如:ftp,http以及Apache PHP MySQL等應用程序)迅速搭建前臺數據采集系統,以實現測控系統和后臺管理系統的通訊。這種方式的優點有:

(1)不需專用的通信線路即可用現成的Inter-net網絡將數據傳送到任何地方。

(2)不僅能夠傳遞數據信號,也可以傳遞音頻和圖像信號。

(3) 由于目前的Internet協議是現成和公開的,因此,利用大到幾十兆的 Microsoft IE瀏覽器,或小到只有600 KB的Mosaic瀏覽器都可以對網絡數據進行讀取。

系統設計

1 硬件設計

嵌入式系統的硬件運行平臺是開發應用程序的基礎,整個開發板可基于IntelRSA-1110 微處理器架構。

嵌入式系統的硬件結構框圖。該硬件針對網絡服務的應用選擇了Intel系列中的Strong ARM MCU。Strong ARM SA-1110是一款高性能、低價位、高集成度微處理器。SA-1110芯片內部集成有能以206MHz運行的32-bit Intel Stron-ggARM RISC處理器,以及速度可達100MHz的存儲器總線和靈活的存儲器控制器,可支持SDRAM、SMROM以及variable-latency I/O 設備,并可為系統設計提供較高的存儲帶寬。由于SA-1110可以適應較大流量的網絡應用,因而可為運行Linux提供硬件上的支持。此外,SA-1110還在開發板上集成有32MB的SDRAM、8MB的Flash、10 T以太網接口、RS232/RS485串口、I/O接口以及擴展Flash卡存儲器等。有關SA-1110更詳細的資料可參考有關資料。

2 軟件設計

嵌入式操作系統是整個嵌入式系統的核心。如前面所述,嵌入式系統在內存容量和存儲容量不足的情況下,必須對Linux進行裁減設計。在裁剪過程中,所涉及的主要技術有下面幾種。

(1)內核的精簡

標準Linux是面向PC的,它集成了許多PC所需要而嵌入式系統并不需要的功能。因此,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模塊,而刪除不需要的功能塊。這樣,重新編譯過的內核就會顯著減小。

(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,一般不必大規模地寫代碼,可采用條件編譯的方法。同時由于Linux系統對應用進程采用的是公平的時間分配調度算法,但這一算法也不能保證系統的實時性要求,因此要求對其進行更改。更改途徑有兩種:一是通過POSIX,二是通過底層編程。筆者是通過Linux的實時有名管道(FIFO)的特殊隊列來處理實時任務的先后順序。實際上,實時有名管道就象實時任務一樣從不換頁,因而可以大大減少由于內存翻頁而造成的不確定延時。

(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進行編寫。編寫的設備驅動程序應當具有以下功能:

●對設備進行初始化和釋放;

●完成數據從內核到硬件設備的傳送和從硬件讀取數據兩項功能;

●讀取應用程序傳遞給設備文件的數據以及回送應用程序請求的數據;

●檢測和處理設備出現的錯誤。

(4)開發基于閃存的文件系統JFFS

應用程序和重要數據通常以文件的形式被存放在閃存文件系統中。JFFS2 文件系統是日志結構化的,這意味著它基本上是一長列節點。每個節點包含著有關文件的部分信息。JFFS2是專門為象閃存芯片那樣的嵌入式設備創建的,所以它的整個設計提供了更好的閃存管理,因而具有其它文件系統不可比擬的優點。具體如下:

●JFFS2 在扇區級別上執行閃存擦除/寫/讀操作要比 Ext2文件系統好。

●JFFS2 提供了比 Ext2fs 更好的崩潰/掉電安全保護。當需要更改少量數據時,Ext2文件系統會將整個扇區復制到內存(DRAM)中,并在內存中合并成新數據再寫回整個扇區。而JFFS2 則可以隨時更改需要的(不是重寫)整個扇區,同時還具有崩潰/掉電安全保護功能。

實現上述幾個步驟后,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等三部分。它支持多任務并行,有完整的TCP/IP協議,同時Linux內建有對以太網控制器的支持,可以通過以太網口連到以太網上,以實現遠程配置與監控。

將裁剪好的內核移植到所用的目標板上時,首先應將內核編譯成針對該處理器的目標代碼。由于不同硬件體系的移植啟動代碼會有所不同,因此,一些內核程序可能要改寫。涉及到編寫Linux的引導代碼和修改與體系結構相關部分代碼主要是啟動引導、內存管理和中斷處理部分。將M-System公司的DOC 2000作為系統的啟動設備時,引導代碼可以放在DOC上。這樣?3系統加電后,引導代碼即可進行基本的硬件初始化,然后把內核映象裝入內存并運行,*,再將調試好的內核和應用程序燒錄到閃存中。由于此時裁剪后的Linux已*移植到目標平臺上,因此,在啟動可運行的開發系統時,就可以根據具體的應用來開發應用程序。如數據采集模塊、數據處理模塊、通信和數據發布模塊等等。

結束語

如今,互聯網應用正在轉到以嵌入式設備為中心,因此,用工控系統與Internet相結合來實現網絡化已是一種必然的趨勢。而把嵌入式Linux微處理器內核嵌入到基于StrongARM SA1110 的32位MCU系統中,然后通過構造TCP/IP多種網絡協議和基本網絡通信協議,再利用嵌入式操作系統對底層硬件和網絡協議的支持,以及對工控系統實時性要求的Linux內核和虛擬內存機制進行改造,即可保證測控任務完成的實時性和可靠性。可以預見,這種方案在工業控制領域具有很好的應用前景,而且具有開發周期短、系統性能穩定可靠、適應性強等特點。

責任編輯:ct


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