工業(yè)嵌入式控制系統(tǒng)中運用LINUX和CAN總線技術(shù)的研究

引言

基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)在工業(yè)控制中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)場總線是根據(jù)國際電工委員會的IEC61158標(biāo)準(zhǔn)的定義而應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備與控制裝置之間實行雙向、串行、多節(jié)點通信的通信網(wǎng)絡(luò)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場總線具有系統(tǒng)的開放性;互操作性與互用性;現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性;系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性;對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性的優(yōu)點，因此，現(xiàn)場總線成為當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一。近年來已經(jīng)設(shè)計出與現(xiàn)場總線相適應(yīng)的控制模塊，其功耗小、可靠性高、易開發(fā)等的優(yōu)點已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)的主要成員。所謂嵌入式應(yīng)用技術(shù)，是指將一個具有完整功能的小型或微型機裝置作為一個部件或子系統(tǒng)，與載體有機地構(gòu)成一個更可靠的技術(shù)穩(wěn)定性的功能更強大和完善的系統(tǒng)。工業(yè)嵌入式系統(tǒng)的主要指標(biāo)要求就是：實時性、高效率、安全穩(wěn)定性與可靠性以及結(jié)構(gòu)緊湊、易于剪裁、良好的開放性。實時性就是事件驅(qū)動能力與時間驅(qū)動能力，其基礎(chǔ)是內(nèi)核的結(jié)構(gòu)模式與進程管理機制;高效率包括系統(tǒng)的啟動速度與運行速度及消息傳遞效率等;而穩(wěn)定性與可靠性包括穩(wěn)定性、安全性與容錯能力等有關(guān)的性能指標(biāo)。以前的大部分工業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)都是建立在DOS之上，但是DOS系統(tǒng)無論在實時性、安全性、分布式網(wǎng)絡(luò)支持、可視化編程還是在易用性等諸多方面都不能滿足工業(yè)應(yīng)用要求，可供嵌入式應(yīng)用的圖形操作系統(tǒng)有多種，比如Windows CE、Palm OS、Black berry和EPOC等，而Palm OS、Black berry和EPOC一般只應(yīng)用在手持設(shè)備上。適合工業(yè)環(huán)境應(yīng)用（過程）標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，目前有Windows CE和LINUX等幾種。本文的所介紹的嵌入式控制系統(tǒng)是基于Linux圖形操作系統(tǒng)。

1.嵌入式控制系統(tǒng)

一般性定義，廣義上的嵌入式控制系統(tǒng)是指非PC系統(tǒng)，有計算機功能但又不稱之為計算機的設(shè)備和器材;狹義的嵌入式控制系統(tǒng)是把PLC功能、測量功能、PID調(diào)節(jié)（如溫度）功能、人機+界面功能、現(xiàn)場總線通訊功能和高級語言編程及庫函數(shù)集成的結(jié)合體。此系統(tǒng)包括控制面板和相關(guān)支持硬件（微處理器、IO端口等外設(shè)器件、擴展模塊、存儲器等）及應(yīng)用軟件。

1.1 控制面板（以德國EPIS公司產(chǎn)品為例）設(shè)計多樣化，用戶可以選用已有的控制器面板，也可以訂制面板，使其與其設(shè)備或系統(tǒng)環(huán)境相匹配。顯示器類型是LCD顯示器，同時配有點陣式顯示和圖形顯示。整個系統(tǒng)面板從144＊72mm到255＊183mm，適合在各種設(shè)備上應(yīng)用。

1.2 相關(guān)支持硬件

嵌入式微處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心。它對實時和多任務(wù)有很強的支持能力，能完成多任務(wù)并有較短的中斷響應(yīng)時間，使內(nèi)部的代碼和實時操作系統(tǒng)的執(zhí)行時間減少到最低限度;具有強大功能的存儲區(qū)保護和擴展功能;可擴展的處理器結(jié)構(gòu)，能更方便、迅速地擴展出滿足于應(yīng)用的高性能配置;嵌入式微處理器的低功耗。

IO端口 數(shù)字輸入口和輸出口數(shù)量可選擇，各端口最多可擴展到512路。輸入電壓是24VDC，分為標(biāo)準(zhǔn)速度口（從高變低為3.5ms，從低變高為2.8ms）和快速輸入口（響應(yīng)速度為20μs），同時配有高速輸入口，額定電壓是5V或24V，響應(yīng)時間為1.1μs。數(shù)字輸出口采用24V光電隔離結(jié)構(gòu)，每路電流最大500mA，配有短路保護和過載保護;繼電器輸出口有一常開點和一常閉點，轉(zhuǎn)換電壓最大48 VDC，轉(zhuǎn)換電流最大1A，轉(zhuǎn)換容量最大30W，運行時間3ms。模擬量輸入口和輸出口的數(shù)量各自可擴展到40路。其模擬量輸入口包括電壓輸入和電流輸入兩種方式，同時可以接收溫度傳感器信號，內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器15位。，轉(zhuǎn)換時間為20μs。特殊功能口：多路高速計數(shù)器輸入口，最大輸入頻率是25kHz;增量編碼器輸入口，最大輸入頻率是1M Hz;25位絕對值編碼器輸入口;模擬量輸出口內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換器是11位，轉(zhuǎn)換時間為100ms。

總線（CAN）擴展模塊 總線（CAN）擴展模塊是光電隔離，與ISO/DIS 11898兼容。其傳輸電纜是雙繞線屏蔽電纜，且對應(yīng)于不同長度的電纜，傳送的位速率不盡相同?？偩€（CAN）擴展模塊擴展卡自帶CPU，可獨立脫機工作，節(jié)省主CPU的開銷。 總線功能可帶一路或多路總線（CAN）口和多個擴展槽。利用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)功能支持設(shè)備與設(shè)備間、設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)之間的在線數(shù)據(jù)交換，還可選配RS232/RS485，CANopen，和Profibus接口。

1.3 應(yīng)用軟件包括操作系統(tǒng)軟件和應(yīng)用程序編程軟件。操作系統(tǒng)軟件包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形界面等。嵌入式操作系統(tǒng)的基本特點是能夠有效管理越來越復(fù)雜的系統(tǒng)資源，把硬件虛擬化，使開發(fā)人員從繁忙的驅(qū)動程序移植和維護中解脫出來;能夠提供大量專用和通用庫函數(shù)、驅(qū)動程序、工具集以及應(yīng)用程序。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運作和行為來完成特定的任務(wù)，而操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。編程環(huán)境非常好，在PC機上編程，具有非常方便地仿真，設(shè)斷點，參數(shù)設(shè)置和跟蹤，單步執(zhí)行等DEBURG功能。

2.工業(yè)嵌入式控制系統(tǒng)的實時性與LINUX操作系統(tǒng)

2.1 實時性是工業(yè)系統(tǒng)的基本要求，也是考核嵌入式系統(tǒng)最重要的指標(biāo)之一。工業(yè)控制中的操作系統(tǒng)要求嚴(yán)格的實時性，實時性也是嵌入式系統(tǒng)的主要特征。實時系統(tǒng)要求所有任務(wù)在規(guī)定的時間內(nèi)完成，例如現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集，電力監(jiān)控與管理，航天器的飛行控制等等。設(shè)計實時系統(tǒng)有兩個相對的目標(biāo)：一是保證嚴(yán)格的時間關(guān)鍵截止值;二是充分有效地利用各種資源，并能較好地容錯。嵌入式系統(tǒng)在軟件的控制下通過硬件高速地獲取數(shù)據(jù)，并進行處理，產(chǎn)生相應(yīng)地反應(yīng)。整個過程必須具有嚴(yán)格的時間和可靠性約束。實時操作系統(tǒng)中的重要概念包括：

系統(tǒng)響應(yīng)時間（system response time）指系統(tǒng)發(fā)出處理要求到系統(tǒng)給出應(yīng)答信號的時間。

任務(wù)換道時間（context switching time）指任務(wù)之間切換而使用的時間。

中斷延遲（interrupt latency）指計算機接受到中斷信號到操作系統(tǒng)作出響應(yīng)，并完成換道轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序的時間。

實時操作系統(tǒng)應(yīng)具有如下功能：任務(wù)管理（多任務(wù)和基于優(yōu)先級的任務(wù)調(diào)度）;任務(wù)間同步和通信（信號量和郵箱等）;存儲器優(yōu)化管理（含ROM的管理）;實時時鐘服務(wù)和中斷管理服務(wù)。

通常，根據(jù)實際應(yīng)用中截止時間的要求，可將實時進程分為嚴(yán)格滿足時間截止的硬實時進程和對截止時間要求只有關(guān)聯(lián)的軟實時進程。面向?qū)崟r的Linux調(diào)度策略，應(yīng)該采用線程作為調(diào)度的基本單位。在調(diào)度系統(tǒng)中安排一定的調(diào)度時鐘，以調(diào)度時鐘作為線程調(diào)度的參考。調(diào)度時鐘依據(jù)線程創(chuàng)建時設(shè)定的優(yōu)先級，同時優(yōu)先級高的線程將一直運行。如果兩個線程具有相同的優(yōu)先級，則采用隨機調(diào)度的方法。Linux是一個通用的操作系統(tǒng)，內(nèi)核不支持事件優(yōu)先級和搶占實時性，因此在將Linux系統(tǒng)作為嵌入系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)測控領(lǐng)域時，必須開發(fā)和擴展實時功能，將Linux提升為一個實時操作系統(tǒng)。

2.2 Linux是由很多體積小且性能高的微內(nèi)核和部件組成。由于內(nèi)核代碼的完全開放性，不同層次和不同領(lǐng)域的用戶可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求對內(nèi)核進行改造與剪裁，以較低的成本設(shè)計出滿足自己要求的嵌入式操作系統(tǒng)。它有一整套的工具鏈gcc，用戶能夠比較容易自行建立與配置嵌入式系統(tǒng)以及在該系統(tǒng)下的開發(fā)環(huán)境與仿真運行環(huán)境，不需要專門的仿真器。它可以支持RISC和CISC結(jié)構(gòu)的芯片，可以支持16位、32位和64位CPU;就目前的流行器件來說，它可以運行在Intel系列CPU上，也可以運行在IBM和Motorola的Power PC 系列CPU以及Alpha和SPARC系列CPU上。Linux的靈活性極好。在一個64兆內(nèi)存的PIII平臺下編寫的應(yīng)用程序，可移植到8兆內(nèi)存的嵌入式硬件裝置中并可靠和穩(wěn)定地運行?？紤]可移植性與可裁減性硬件平臺的迅猛發(fā)展，為實時應(yīng)用提供豐富的運行平臺（從單片機到DSP，從CISC到RISC結(jié)構(gòu)的各類微處理等）。為了能適應(yīng)硬件平臺的多樣化，在設(shè)計、開發(fā)嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核時，要認(rèn)真考慮可移植性問題。能夠提供廣泛平臺支持的操作系統(tǒng)，目前嵌入式Linux是成功的典型。可移植性與實現(xiàn)代碼選用的語言有很大關(guān)系。如，C語言比實現(xiàn)相同功能的匯編語言具有更好的可移植性。但是，用匯編語言實現(xiàn)的代碼具有更高的執(zhí)行效率和更緊湊的代碼空間。所以，為了取得較好的執(zhí)行效率，節(jié)省代碼空間，獲得較強的可移植性，需要選擇一個在代碼優(yōu)化方面做得好的C語言編譯器，能對C代碼進行良好的優(yōu)化。

圖1LINUX內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)

上圖顯示了Linux內(nèi)核體系構(gòu)建方式。它把Linux內(nèi)核源代碼清晰地分為體系結(jié)構(gòu)相關(guān)部分和無關(guān)部分。體系結(jié)構(gòu)無關(guān)部分定義了與底層，也就是體系結(jié)構(gòu)相關(guān)部分的接口。更確切地說，該圖能夠說明所有期望具有平臺無關(guān)特性的操作系統(tǒng)。體系結(jié)構(gòu)無關(guān)代碼并不關(guān)心宏的確切定義，把實際負(fù)責(zé)硬件體系留給相關(guān)代碼區(qū)處理。這種處理的方法提高了代碼的重用性、可移植性和可裁減性。然而，由于Linux是采用單內(nèi)核設(shè)計，如果采用微內(nèi)核設(shè)計，那么向其它體系結(jié)構(gòu)上的移植將會更加容易。

3 基于CAN總線工業(yè)嵌入式控制系統(tǒng)的設(shè)計

基于CAN總線的工業(yè)嵌入式控制系統(tǒng)的整個模塊如圖2所示。

圖2基于總線（CAN）工業(yè)嵌入式實時控制系統(tǒng)的原理圖

總線控制器SJA1000 8000H～801FH 將設(shè)計好的PC/104模塊作為一獨立的控制系統(tǒng)插入專用的應(yīng)用板，同樣的模塊可以有若干個，以層疊的方式嵌入同一塊應(yīng)用板，既可以完成類似的功能，也可以完成完全不同的其它功能（如數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換等）。PC/104提供了一個非常緊湊的與標(biāo)準(zhǔn)臺式PC或PC/AT結(jié)構(gòu)完全兼容的層疊棧接模塊。將臺式PC機的全部功能重新包裝于一個格式標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、穩(wěn)定可靠、靈活且符合嵌入式系統(tǒng)尺寸的標(biāo)準(zhǔn)模塊中，與PC兼容，用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計以替代傳統(tǒng)的嵌入式微處理器十分適宜。通過PC/104總線，微處理器能夠非常方便地和系統(tǒng)通信。為滿足大量數(shù)據(jù)交換的要求，特增加了8kb的RAM以擴展內(nèi)存。為了增加局部總線的驅(qū)動能力，在微處理器和PC104總線之間增加數(shù)據(jù)/地址驅(qū)動電路。為了系統(tǒng)的擴充能力，增加了地址譯碼電路，譯出的地址0300H～031FH以備將來的I/O外設(shè)使用。同時為了增加有效的傳輸距離，采用了Philips公司的高性能CAN總線收發(fā)器82C250，它具有高速性（最高可達(dá)1Mb/s）、能抗瞬間干擾、保護總線、支持多達(dá)110個節(jié)點的連接等優(yōu)點。另外，設(shè)計了CAN地址選擇電路，以確保CAN總線節(jié)點在整個系統(tǒng)中的唯一地址。

4 Linux嵌入式應(yīng)用編程簡介

4.1 采嵌入式系統(tǒng)一般都沒有編輯和編譯工具，所以需要先在開發(fā)系統(tǒng)中完成程序的編輯、編譯和仿真運行及修改工作，形成可執(zhí)行文件，再轉(zhuǎn)到運行系統(tǒng)（即嵌入式系統(tǒng)）上執(zhí)行。

以Linux嵌入式為支撐系統(tǒng)開發(fā)系統(tǒng)上的應(yīng)用程序?qū)儆谑录?qū)動編程，也就是“消息隊列”和“消息循環(huán)”。有2個涉及消息的函數(shù)十分常用：GetMessage（ ）和DispatchMessage（ ）。一般還需要common.h。

其編程與VC++編程所用消息處理函數(shù)極為相似，下面將介紹一些簡單而又基本的GUI元素：主窗口、靜態(tài)文本框、編輯框、按鈕、進程條、對話框以及一些基本的圖形操作

一些常用的消息處理函數(shù)如下：

輸出文本 MEG_PAINT（使用TextOut（）函數(shù)）

設(shè)置像素點顏色 SetPixel（）

畫線條 LineTo（）

畫矩形 Rectangle（）

畫圓形 Circle（）

設(shè)置畫筆顏色 SetBrushColor（）

創(chuàng)建窗口 MES_CREATE

創(chuàng)建主窗口 CreateMainWindow（&CreateInfo）

此外，大多數(shù)控件都可以使用CreateWindow（）函數(shù)創(chuàng)建。

4.2 RTOS開發(fā)平臺

通用計算機具有完善的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序接口（API），是計算機基本的、不可分離的一部分，應(yīng)用程序的開發(fā)以及完成后的軟件都在平臺上運行，但一般不是實時的。嵌入式系統(tǒng)則不同，應(yīng)用程序可以沒有操作系統(tǒng)而直接在芯片上運行，但是為了合理調(diào)度多任務(wù)、利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及專家?guī)斓慕涌?，用戶必須自行選配RTOS平臺，這樣才能保證程序執(zhí)行的實時性，穩(wěn)定性和可靠性，并減少開發(fā)時間，保證軟件質(zhì)量。

實時操作系統(tǒng)是一段在嵌入式系統(tǒng)啟動后首先執(zhí)行的背景程序，用戶的應(yīng)用程序是運行于RTOS之上的各個任務(wù)，RTOS根據(jù)各個任務(wù)的要求，進行資源（包括存儲器、外設(shè)等）管理、消息管理、任務(wù)調(diào)度、異常處理等工作。在RTOS支持的系統(tǒng)中，每個任務(wù)均有一個優(yōu)先級，RTOS根據(jù)各個任務(wù)的優(yōu)先級，動態(tài)地切換各個任務(wù)，保證對實時性的要求。在編寫程序時，可以分別編寫各個任務(wù)，從而減少了程序編寫的工作量，而且減小了出錯的可能，保證最終程序具有高可靠性。RTOS體現(xiàn)了一種新的系統(tǒng)設(shè)計思想和一個開放的軟件框架，用戶可以在不大量變動系統(tǒng)其它任務(wù)的情況下增加或去掉一個任務(wù);一個項目開發(fā)的過程中，可以有多個工程師同時進行系統(tǒng)的軟件開發(fā)，每個人之間只要制定好規(guī)程和協(xié)議即可，既縮短了開發(fā)時間，又降低了最終軟件產(chǎn)品對于具體某個開發(fā)者個人的依賴性。為RTOS設(shè)計的成熟和通用的任務(wù)可以以庫函數(shù)的形式供其他人繼續(xù)利用，與C++語言的設(shè)計思想一致。

結(jié)束語

CAN總線技術(shù)在電廠、變電站、電力系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用前景，能在可靠性、高精度、經(jīng)濟性等多方面獲得最大的效益;以工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)PC/104 為代表的嵌入式控制系統(tǒng)具有突出的優(yōu)點，十分適合于工業(yè)環(huán)境的要求。隨著微處理器和單片機的發(fā)展，工業(yè)控制技術(shù)中使用嵌入式實時操作系統(tǒng)已經(jīng)成為一個特點。嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷了一個階段的發(fā)展，它在工業(yè)控制中的應(yīng)用必將越來越廣泛。