嵌入式工业控制网络的实现方案

【Word版本下载可任意编辑】嵌入式工业控制网络的实现方案随着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（比较的有Vxworks、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。

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）及一些根据需要开展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资源。Linux与生俱来的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，对系统内核开展实时性优化，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CompactFlash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，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Flashｈ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。

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来运行嵌入式Linux操作系统。应用程序可通过网络开展更新，并可通过键盘开展人机对话，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Internet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ApachePHPMySQL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。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MicrosoftIE浏览器，或小到只有600KB的Mosaic浏览器都可以对网络数据开展读取。

系统设计

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根底，整个开发板可基于IntelRSA-1110微处理器架构。

嵌入式系统的硬件构造框图。该硬件针对网络服务的应用选择了Intel系列中的StrongARMMCU。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-bitIntelStron-ｇgARMRISC处理器，以及速度可达100MHz的存储器总线和灵活的存储器控制器，可支持SDRAM、SMROM以及variable-latencyI／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、8MB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。

2软件设计

嵌入式操作系统是整个嵌入式系统的。如前面所述，嵌入式系统在内存容量和存储容量缺陷的情况下，必须对Linux开展裁减设计。在裁剪过程中，所涉及的主要技术有下面几种。

（１）内核的精简

标准Linux是面向PC的，它集成了许多PC所需要而嵌入式系统并不需要的功能。因此，对一些可独立加上或卸下的功能块，可在编译内核时，仅保存嵌入式系统所需的功能模块，而删除不需要的功能块。这样，重新编译过的内核就会显著减小。

（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，一般不必大规模地写代码，可采用条件编译的方法。同时由于Linux系统对应用进程采用的是公平的时间分配调度算法，但这一算法也不能保证系统的实时性要求，因此要求对其开展更改。更改途径有两种：一是通过POSIX，二是通过底层编程。笔者是通过Linux的实时有名管道（FIFO）的特殊队列来处理实时任务的先后顺序。实际上，实时有名管道就象实时任务一样从不换页，因而可以大大减少由于内存翻页而造成的不确定延时。

（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开展编写。编写的设备驱动程序应当具有以下功能：

●对设备开展初始化和释放；

●完成数据从内核到硬件设备的传送和从硬件读取数据两项功能；

●读取应用程序传递给设备文件的数据以及回送应用程序请求的数据；

●检测和处理设备出现的错误。

（４）开发基于闪存的文件系统JFFS

应用程序和重要数据通常以文件的形式被存放在闪存文件系统中。JFFS2文件系统是日志构造化的，这意味着它基本上是一长列节点。每个节点包含着有关文件的部分信息。JFFS2是专门为象闪存芯片那样的嵌入式设备创立的，所以它的整个设计提供了更好的闪存管理，因而具有其它文件系统不可比较的优点。具体如下：

●JFFS2在扇区级别上执行闪存擦除／写／读操作要比Ext2文件系统好。

●JFFS2提供了比Ext2fs更好的崩溃／掉电安全保护。当需要更改少量数据时，Ext2文件系统会将整个扇区复制到内存（DRAM）中，并在内存中合并成新数据再写回整个扇区。而JFFS2则可以随时更改需要的（不是重写）整个扇区，同时还具有崩溃／掉电安全保护功能。

实现上述几个步骤后，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等三部分。它支持多任务并行，有完整的TCP／IP协议，同时Linux内建有对以太网控制器的支持，可以通过以太网口连到以太网上，以实现远程配置与监控。

将裁剪好的内核移植到所用的目标板上时，首先应将内核编译成针对该处理器的目标代码。由于不同硬件体系的移植启动代码会有所不同，因此，一些内核程序可能要改写。涉及到编写Linux的引导代码和修改与体系构造相关部分代码主要是启动引导、内存管理和中断处理部分。将M-System公司的DOC2000作为系统的启动设备时，引导代码可以放在DOC上。这样3系统加电后，引导代码即可开展基本的硬件初始化，然后把内核映象装入内存并运行,，再将调试好的内核和应用程序烧录到闪存中。由于此时裁剪后的Linux已成功移植到目标平台上,因此,在启动可运行的开发系统时,就可以根据具体的应用来开发应用程序。如数据采集模块、数据处理模块、通信和数据发布模块等等。

结束语

如今，互联网应用正在转到