基于Linux的嵌入式工业测控系统.ppt

基于Linux的嵌入式工业测控系统,测控技术与仪器,韩永龙A2042362007.11.26,主要内容,,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,嵌入式系统的广泛应用,,机顶盒家庭网关互联网,无线手机PDA,汽车游戏视频,典型的嵌入式系统组成,处理器,MMU,GPIO,USB,LCD,CAN,DMA,以太网,,,LCD/触摸屏/鼠标,,,FlashSDRAMSRAM,,看门狗复位电路,,电源管理,,驱动层,OS,应用,BSP/driver/HAL,Linux、u/COS、Wince,文件系统/GUI/API,软件,硬件,输入输出,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。,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，,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。,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。,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。,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。,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。,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。,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。,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,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70MIPS，工作频率88.47MHz，总线频率44.236MHz，为运行Linux提供硬件上的支持，在开发板上还集成有16M的SDRAM、2M的FLASH、10baseT以太网接口、RS232/RS485串口、I/O接口等。,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,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。,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.,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。,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。,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。,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。,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。,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。,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。,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。,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。,,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。,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。,,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。,,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。,,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。,,谢谢,