嵌入式实时Linux的工业测控平台的研制

●技术创新・日用电器　嵌入式实时Ｌｉｎｕｘ的工业测控平台的研制　陈立新　梁明　广州　５１０３００）　（中国电器科学研究院　摘要：本文提出以３２位ＡＲＭ９２０Ｔ内核的ＡＴ９１ＳＡＭ９２６３微处理器为核心，通过扩展电路形成硬件平台。在此基础上，选　择Ｌｉｎｕｘ作为系统的软件平台，并采用Ｘｅｎｏｍａｉ作为系统的实时解决方案。根据工业测控系统多任务和实时性特点，结合　Ｘｅｎｏｍａｉ的用户层实时的优点，设计了软件任务模块的层次结构，最后介绍了Ｑｔｏｐｉａ的优点并以此作为人机界面。　关键词：嵌入式系统；实时；Ｌｉｎｕｘ；ＡＴ９１ＳＡＭ９２６３；Ｘｅｎｏｍａｉ　１前言　嵌入式系统已经广泛地渗透到人们的Ｔ作、生活之中，从　家用电器、手持通讯设备、信息终端、仪器仪表、汽车、航天　航空、军事装备、制造工业、过程控制等，无不是嵌入式系统　的应用领域。在工业测控领域，嵌入式系统的主要指标要求就　是：实时性、高效率、安全稳定性与可靠性以及结构紧凑、易　于裁剪、良好的开放性［１１。在目前应用的丁业测控系统中，嵌　入式系统的硬件大多采用８／１６位的单片机；软件采用汇编语言　编程，仅包含一个简单的循环处理的控制流程；处理效率较低，　存储容量较小，几乎没有用户接口，主要应用于专业性强的工　业控制系统，远不能适应高效的、需要大容量存储的现代Ｔ业　控制的需求。为克服以单片机为核心的工业测控系统的不足，　本文设计了一种采用ＡＲＭ９为嵌入式系统的核心处理器，并采　用Ｌｉｎｕｘ＋Ｘｅｎｏｍａｉ实时操作系统作为嵌入式工业测控系统的软　件平台解决方案。该方案具有模拟信号和数字信号输入、输出　接口，能实现ＬＣＤ显示、触摸屏人机交互、音频报警和通信等　功能。此外，系统可以根据工业设备的使用要求进行软、硬件　的裁剪。　板则可以根据产品的需求、成本的高低、接口的种类进行裁剪。　在满足系统需求的同时不会造成资源的浪费。　２．２核心板设计　核心板是整个系统的心脏，包括微处理器ＡＴ９１ＳＡＭ９２６３、　Ｆｌａｓｈ、ＳＤＲＡＭ、复位系统等。　１）处理器：ＡＴ９１ＳＡＭ９２６３处理器采用最新ＡＲＭ９２６ＥＪ—Ｓ　ａｎＴＩ内核，运行在２００ＭＨｚ时拥有２２０ＭＩＰＳ的运算性能，具有　ＤＳＰ扩展指令，ＪＡＶＡ硬件加速。ＡＴ９１ＳＡＭ９２６３有能力连接多　种内存设备，大容量硬盘设备，嵌入有ＬＣＤ控制器，图像传　感器接口，标准外设接口，多媒体卡接口，ＣＡＮ控制器，两个　ＥＢＩ使ＡＲＭ９　ＣＰＵ和图形处理器可同时、并行工作：一个是系　统内存接口，另一个则是人机接口。第二个接口使ＬＣＤ控制器　和ＣＰＵ无需共享内存，同时使可用的ＣＰＵ　ＭＩＰＳ增长２０％到　４０％，从而具有超强的显示功能。ＡＴ９１ＳＡＭ９２６３具有非常丰富　的外部接口，是一款高速、低功耗、高性能的处理器，特别适　合于通信、汽车、工业控制、ＰＤＡ、医疗等系统的开发，可以　非常方便的利用它构建一个嵌入式设备的硬件平台。　２）ＤａｔａＦＬＡＳＨ：引导程序和嵌入式操作系统存储在　ＤａｔａＦＬＡＳＨ上，选择型号为ＡＴ４５ＤＢ３２１Ｄ，容量大小为４Ｍ　ｂｙｔｅ　２硬件系统设计　２　１总体方案　的串行Ｆｌａｓｈ芯片，保证有足够的空间未存储用户应用程序。　３）Ｎａｎｄ　Ｆｌａｓｈ：该存储器用于数据存储，可作为文件系统　使用，选择型号为Ｋ９Ｆ２Ｇ０８ＵＯＭ，容量大小为２５６Ｍ　ｂｙｔｅ的Ｆｌａｓｈ　芯片。　为了增加系统的灵活性和可重用性，硬件系统采用核心板　＋底板的设计方案，如图１所示。核心板可以重复使用，而底　本文获广东省重大科技专项基金（２００９Ａ０８０２０４００１）资助　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ａｐｐｌｉａｎｃｅｓ　１日用电器　２０１１．０３　３４　技术创新・Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ［ｎｎｏｖｍｉｏｎ　Ｅ１　ｅ　ｃｔ　ｃ　ｌ　Ａ　Ｐ　Ｐｌ…ｃ　ｅ　ｓ　４）ＳＤＲＡＭ：ＳＤＲＡＭ用来运行操作系统和应用程序，并　作为运行中数据的缓存，核心板采用了两片Ｈｙｎｉｘ公司的　ＨＹ５７Ｖ６４１６２０　ＳＤＲＡＭ来实现，总容量为６４Ｍ　ｂｙｔｅ。　２　３外围扩展设计　底板上分布有各个功能模块，主要包括有：电源、串口、　以太网、ＣＡＮ、ＵＳＢ、ＬＣＤ显示、触摸屏、实时时钟、１０等。　如表１所示。　３软件系统　３　１操作系统选择　嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统是标准Ｌｉｎｕｘ在嵌入式领域的延伸，其特　点和功能与标准Ｌｉｎｕｘ几乎完全相同。Ｌｉｎｕｘ系统的稳定性和健　壮性已经在现实世界中得到了证明，在　业控制领域也有许多　非常成功的应用。但是Ｌｉｎｕｘ作为一个通用分时操作系统，由　于它的分时特性以及Ｌｉｎｕｘ在中断机制、调度算法、以及时钟　粒度等方面的制约都无法满足硬实时应用的要求，成为工业控　制应用中的瓶颈。因此，要使Ｌｉｎｕｘ满足硬实时应用的的要求，　就必须对标准Ｌｉｎｕｘ进行文时化改造。目前对标准Ｌｉｎｕｘ内核　的实时化改造，主要有修改Ｌｉｎｕｘ内核、增加资源核和双内核　结构三种改造方案。双内核方案对硬实时的支持和可移植性　的优势，使得基于双内核的Ｌｉｎｕｘ实时化改造方案相对于其他　方案更适用于对实时性要求严格丁业控制、汽车电子等领域，　基于双内核方案的ＲＴ—Ｌｉｎｕｘ、ＲＴＡＩ、Ｘｅｎｏｍａｉ都有各自的特　点，ＲＴ—Ｌｉｎｕｘ技术成熟，但是随着ＦＳＭｌａｂ被Ｗｉｎｄｒｉｖｅｒ收购，　ＲＴ—Ｌｉｎｕｘ在版权和专利　面受到一定的限制，ＲＴＡＩ、Ｘｅｎｏｍａｉ　３５　２０１　１．０３　日用电器Ｉ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ａｐｐｌｉａｎｃｅｓ　表１扩展接口配置　类型　功能　参数　ＲＳ２３２　２路ＲＳ２３２　通信接口　以太网络　１０／１００Ｍｂｐｓ以太网络　ＵＳＢ　Ｈｏｓｔ　２路ＵＳＢ２．０　Ｈｏｓｔ控制器　ＵＳＢ　Ｄｅｖｉｃｅ　１路ＵＳＢ２．０　Ｄｅｖｉｃｅ控制器　显示设备　ＬＣＤ接口　支持最大分辨率２０４８Ｘ　２０４８像素，　颜色位数１６或者２４位　触摸屏幕　４线兼容设计　ＡＵＤＩＯ　Ａｃ’９７音频标准，带输入和输出（接　输入输出　口引出形式）　ＣＡＮ总线　１路ＣＡＮ总线　ＭＭＣ／ＳＤ七　１路　扩展总线　ＧＰ１０　内含４路ＳＰＩ总线；内含ＰＷＭ脉宽　控制器；　其他配置　实时时钟　独立实时时钟模块（ＲＴＣ）　，设有备用电池　指示灯（ＬＥＤ）　ＣＰＵ状态指不灯、电源指示灯　都是基于Ａｄｅｏｓ实现的，ＲＴＡＩ注重技术上可行的最低延迟，　Ｘｅｎｏｍａｉ注重扩展性和兼容性【２ｌ。由于Ｘｅｎｏｍａｉ直接支持ＡＴ９１　系列芯片，本文使用Ｘｅｎｏｍａｉ对Ｌｉｎｕｘ２．６内核实时化改造。如　图２所示。　３．２软件架构及功能模块　根据系统任务的实时性，本系统软件结构层次可以分为：　非实时层和实时层。非实时层包括：人机交互部分、任务管理　部分和网络通信部分，这部分对实时性基本没有要求，可采用　普通的Ｌｉｎｕｘ任务调度。其中任务管理模块是本层的核心，负　责调度其他模块，对非实时层和实时层之间的数据传递进行管　理。人机交互模块提供与用户交互相关的功能，主要包括人机　界面、文件管理、参数管理、状态显示等功能。网络通信部分　则负责上位机Ｐｃ与测控系统的数据传输，包括Ｗｅｂｓｅｒｖｅｒ网页　服务器、ＳＮＭＰ网络管理等辅助功能模块。　实时层主要包括：ＡＤ数据采集、数据处理、ＤＡ转换、　１０状态检测与控制模块等。这部分对实时性要求较高，采用　Ｘｅｎｏｍａｉ进行实时的任务调度，它的实现涉及用户和内核空间。　例如，ＡＤ数据采集后数据处理模块运算复杂，对实时要求相对　低，基本不与硬件交互，可以在实时层的用户空间运行；而状　态检测、１０控制等运算相对少，对实时要求最高，并且需要与　硬件交互，所以将它们规划在实时层的内核空间。非实时和实　时层中的任务模块以进程或线程的形式独立并发的运行，各层、　各模块之间通过通信协作来实现数控功能，如图３所示。　■技术创新・日用电器　３．３用户界面　（　，　ＬｉＩｌｕｘ用户空间（Ｌ　Ⅸ普通进程、软实时进程）　ｌ　Ｉ　、　厂　用户界面是非实时层最重要的组成部分，是测控　　一系统和用户交互的主要方式，用户界面设计的好坏直　接影响用户对测控系统的使用。测控系统用户界面要　、　Ｙｐｎｎｍ＾ｉ　实时任务ｌ务）／　……一　彳　’＝　７　，（任务管理　道、共享内存）、　（（　任务间通信任机务伟Ｃ调度（定时模块　器管理　）　、＼　／Ｊ　　Ｌｉｎｕｘ内核　（　中断处理模块　）　底层硬件抽象层　＼Ｌ　彳　（中断管道机伟　域调度模块　域管理模块二　ＡＤＥＯ８ＩＰＩＰＥ　／　７　＼．／　７　７　厂　、　ＡＴｇｌＳＡＭ９２６３硬件平台　／　图２系统结构图　用户空问　｝　内核空间　ｊ　ｏ－Ｈ十臣　‘。　。。。。。’。。。。。。。’。＿Ｌ’。。‘。。。。。。——　ｌ硬件　互ｆ参数管理ｆ机回　Ｉ　Ｊ　　｛　厂—一中——一断　　系统ｌ状态显示ｌ　～　用－ｌＩ服务　嚣雾　『Ｆ昵什件　．．．．．．．．．．．　ｆ　ｆ　实时层　图３任务结构图　求人性化、布局合理、简单实用和易于操作。本系统　采用Ｑｔｏｐｉａ开发用户界面。Ｑｔｏｐｉａ是挪威Ｔｒｏｌｌｔｅｃｈ公　司的产品，该主要开发两种产品：一种是跨平台应用　程序界面框架，代表产品为ＱＴ；另外一种就是提供　给做嵌入式Ｌｉｎｕｘ开发的应用程序平台，主要应用在　ＰＤＡ和移动设备上，代表产品为Ｑｔｏｐｉａ［　。移植Ｑｔｏｐｉａ　不仅可以用来创建用户应用程序界面，而且０Ｔ的　ＱＳｏｃｋｔｅＤｅｖｉｃｅ与ＱＳｏｃｋｅｔＮｏｔｉｉｆｅｒ类可以用来完成网络　通信工作；也可以使用ＱＴ的数据库类ＱＳｑｌＤａｔａｂａｓｅ和　ＱＳｑｌＣｕｒｓｏｒ，进行采集数据的管理与储存与显示工作。　４结束语　以上设计的基于ＡＲＭ和Ｌｉｎｕｘ＋Ｘｅｎｏｍａｉ的工业测　控系统，具有实时性强、用户界面友好、功能裁剪与　移植方便、兼容性好等优点，加以扩展能方便地实现　多种测量功能集成或组合，可广泛应用于诸如工业监　控、油田油井监控、各种电力系统监控、环境监测等　不同场合，而且比单片机控制系统功能强大、性能稳定，　提供更友好的人机交互界面，性价比高。因此可以满　足用户对控制系统提出的越来越高的要求，应用前景　广阔。　参考文献　１林海香等．基于Ｕｎｕｘ的工业嵌入式控制系统研究【Ｊ】．甘肃科　技　２００５｛４）：５１－５３．　２郑金爽．基于ＲＴＡＩ的嵌入式实时Ｌｉｎｕｘ的研究及实现ＩＤ】．吉　林大学硕士学位论文．２０１０：１４－２０．　３　Ｊａｓｍｉｎ　Ｂｌａｎｃｈｅｆｔｅ，Ｍａｒｋ　Ｓｕｍｍｅｒｆｌｅｌｄ．等．Ｃ＋＋ＧＵＩ　Ｑｆ４　绾程ｆＭ】．２版．闰峰．曾泉人，张志强译．北京：电子工业出版社，　２００８　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ａｐｐｌｉａｎｃｅｓ　１日用电器　２０１　１．０３　３６