目前，大多數遠程測控系統中，系統的硬件采用8/16位的單片機，軟件多采用匯編語言編程，該編程僅包含一個簡單的循環(huán)處理的控制流程;單片機與單片機(或上位機)之間的通信通過RS232、RS485或CAN總線來組成局域網，再用Pc機作為 Web服務器，與Internet進行通訊。
1、前言
隨著網絡控制技術的快速發(fā)展，工業(yè)以太網得到逐步完善，在工業(yè)控制領域獲得越來越廣泛的應用。工業(yè)以太網使用了TCP/IP協議，便于聯網，并具有高速控制網絡的優(yōu)點。隨著32位嵌入式CPU價格的下降，性能指標的提高，為嵌入式系統的廣泛應用和Linux在嵌入式系統中的發(fā)展提供了廣闊的空間。由于Linux的高度靈活性，可以容易地根據應用領域的特點對它進行定制開發(fā)，以滿足實際應用需要。
2、基于Linux的嵌入式系統在測控系統中的設計
計算機測控系統本質上就是計算機控制系統，為了對被控對象實施控制，對其參數和狀態(tài)進行檢測是必不可少的。
2.1 測控系統整體設計
測控系統以基于Linux的嵌入式系統為核心，應用程序可通過網絡進行更新，通過鍵盤進行人機對話，數據可通過LCD現場顯示。重要數據可以文件形式保存在Flash存儲器中，數據和報警信息還可通過串口向上位機傳輸，也可通過以太網口向Inernet發(fā)布信息。用戶通過顯示界面查看設備狀態(tài)，設置設備參數，實現遠程監(jiān)控、遠程維護。
2.3.2 Linux下設備驅動程序的開發(fā)
Linux系統中，內核提供保護機制，用戶空間的進程一般不能直接訪問硬件。Linux設備被抽象出來，所有設備都看成文件。用戶進程通過文件系統的接口訪問設備驅動程序，設備驅動程序主要完成如下功能：
①探測設備和初始化設備;②從設備接受數據并提交給內核;③從內核接受數據送到設備;④檢測和處理設備錯誤。
3、基于 RTAI-Linux的嵌入式系統的軟件實現
3.1 RTAI實時硬件抽象層的實現機理
引入新的數據結構rt_hal，形成了實時硬件抽象層RTHAL(Real Time Hardware Abatract Layer)，rt_hal結構體的定義如下：
struct rt_hal
{
struct desc_struct*idt table;
void(*disint)(void);
void(*enint)(void);
unsigned int(*getflags)(void);
void(*setflags)(unsigned int flags);
void(*mask_and_ack_8259A)(unsigned int irq);
void(*unmask_8259A_irq)(unsigned int irq);
void(*ack_APIC_irq)(void);
void(*mask_IO_APIC_irq)(unsigned int irq);
void(*unmask_I0_APIC_irq)(unsigned int irq);
unsigned long *Io_apic_irgs;
void*irq_controller_lock;
void*irq_desc;
int *irq_vector;
void *irq_2_pin;
void* ret_from_intr;
struct desc_struct *gdt_table;
volaTIle int*idle_weight;
void (*lxrt_cli)(void);
};
在usr/src/Linux/arch/i386/kernel/irq.c中初始化為rthal：
struct rt_hal rthal
{
idt_table， /*中斷向量表*/
Linux_cli， /*關中斷函數*/
Linux_sTI， /*開中斷函數*/
Linux_save_flags， /*保存中斷前的標志*/
Linux_restore_flags， /*恢復中斷前的標志*/
Task_and_ack_8259A， /*中斷屏蔽*/
Enable_8259A_irq， /*中斷使能*/
Linux_ack_APIC_irq，
()， /*在io_apic.c文件中設置*/
&io_apic_irgs，
&irq_controller_lock，
irq_desc，
irq_vector，
()， /*在io_apic.c文件中設置*/
&ret_from_imr，
gdt_table， /*全局描述符表*/
&idle_weight，
()
};
初始化rthal時，指向函數的指針變量指向實現原來標準Linux中開、關中斷等功能的函數如下：
staTIc void linux_cli(void)
{
hard_cli();
}
staTIc void linux_sti(void)
{
hard_sti();
}
static unsigned int linux_save_flags(void)
{
int flags;
hard_save_flags(flags)
turn flags
}
static void linux_restore_flags(unsigned int flags)
{
hard_restore_flags(flags);
}
當加載RTAI模塊時，執(zhí)行rt_mount_rtai函數如下：
void rt_mountes_rtai(void)
{
rthal.disint=linux_cli;
rthal.enint=linux_sti;
rthal.getflags=linux_save_flags;
rthal.setflags=linux_restore_flags;
rthal.mask_and_ack_8259A=trpd_mask_and_ack_irq;
rthal.unmask_8259A_irq=trpd_unmask_irq;
}
rthal中指向函數的指針變量指向了RTAI中實現的同名函數，在RTAI中實現的關中斷函數如下：
static void linux_cli(void)
{
processor[hard_cpu_id()].intr_flag=0;
}
在RTAI中引入新的數據結構processor，描述和中斷有關的處理器的狀態(tài)：
static struct cpu_own_status
{
volatile unsigned int intr_flag;
volatile unsigned int linux_intr_flag;
volatile unsigned int pending_irqs;
volatile unsigned int activ_irqs;
}
processor[NR_RT_CPUS];
當執(zhí)行關中斷時，只是將數據結構processor中的中斷標志位intr_flag設為0，而不是真正的清除eflags寄存器的IF標志來關中斷，解決了Linux中長期關中斷的問題。
3.2 采用RTAI增強Linux實時性的實現?
通過修改Linux內核相關的源文件，形成實時硬件抽象層。執(zhí)行insmod命令，掛載上提供實時服務的rtai，rtai_sched，rtai_fifos模塊，得到如下信息：
Linux tick at 100Hz
Calibrated cpu frequency 551268530Hz
Calibrated 8254-timer-interrupt-to-scheduler latency 8000ns
Calibrated one shot setup time 3000ns
Module Size Used by
rtai_sched 16608 0 unused
rtai_fifos 33468 0 unused
rtai 20728 1 (rati_sched rtai-fifos)
加載上應用程序需要的RTAI模塊后，就可以在RTAI-Linux環(huán)境下開發(fā)應用程序。
3.3 基于RTAI-Linux的應用程序的開發(fā)
針對工業(yè)測控系統的數據采集、數據處理、控制、通信等具體應用，將應用程序分為實時任務和非實時任務。實時任務利用RTAI提供的API來開發(fā)，編寫成內核模塊，工作在Linux的核心態(tài)。用戶進程可利用Linux操作系統提供的大量資源，進行TCP/IP網絡通信，開發(fā)圖形用戶界面程序等。實時任務之間、實時任務和非實時任務之間可通過Fifo隊列和共享內存等方法通信。RTAI-Linux應用程序結構如圖3-1所示。
一種應用于測控系統的基于Linux的嵌入式系統的設計方案
數據采集任務的實現在rt_process.c中的主要函數如下：
static void data_collect()
{
rtf_put(FIFO，&data_value，sizeof(data_value);/*將采集的數據放入實時FIFO中*/
rt_task_wait_period();
}
int int_module(void)
rtime tick_period;
rt_set_periodic_mode(); /*將定時器設置為周期模式*/
rt_task_init(&rt_task，data_collect，l，Stack_size，task_priority，1，0);/*初始化數據采集任務*/
return ()
}
void cleanup_module(void)
{
stop_rt_timer();
rtf_destroy(FIFO);
rt_task_delete(&rt_task);
return;
}
數據顯示程序的實現在disaplay.c中的主要函數：
int main(void)
{
if((fifo=open(“/dev/rtf()”，()_rdonly))《0)
{
fprintf(stderr，“Error opening/dev/rtf() ”);
exit(1);
}
read(fifo，&data_value，sizeof(data_value));/*用戶進程從實時FIFO中讀取數據*/
printf(“data%f ”，data_value)
}
4、結論
本文給出了一種應用于測控系統的基于Linux的嵌入式系統的設計方案，能保證測控任務完成的實時性、可靠性，可以連到工業(yè)以太網，實現遠程監(jiān)控，在工業(yè)控制領域有很好的應用前景。
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