嵌入式系统在工业控制中的应用

嵌入式系统在工业控制中的应用

摘要：工业控制是嵌入式系统的应用的重要领域，Linux 系统是嵌入式系统开发的有力工具，本文主要利用Linux系统来具体实现一个嵌入式工业控制系统。同时，所讨论的实时系统的研究，为在一个系统中同时支持多种实时调度方法提供了可能性。

正文：嵌入式技术是21世纪最有生命力的新技术之一，目前已经广泛应用于社会生活的各个方面。嵌入式系统的应用与开发则是当今计算机行业发展的一个热点。现今嵌入式软件的应用与开发的领域主要有：国防、移动通信、电子、办公自动化、机/车顶盒、掌上电脑、手机软件、工业控制、信息家电等领域。工业等各部门对智能控制需求的不断增长，对嵌入式微处理器的实时性、运算速度、可扩充能力、系统可靠性、功耗和集成度等方面提出了更高的要求。

1.嵌入式系统与工业控制网络

美国电气工程师协会（IEE）的一个定义：嵌入式系统是用来控制或监视机器、装置或工厂等大规模系统的设备。嵌入式系统通常具有如下特性：

（1）通常只执行特定功能;是在特定领域内完成特定功能的专用计算机系统。

（2）嵌入式系统中硬件配置一般是根据系统的性能指标来确定的;除了附加的调试接口外，没有多余的硬件设备，一般是以计算机周边器件构成核心，其规模可在大范围内变化。而且嵌入式系统中是软件和硬件紧密结合。

（3）严格的时序和稳定性要求;这是因为在机器控制的大型系统中，程序运行稍有差错则可能使得整个系统失去控制，甚至酿成灾害。而且系统一般不进行交互动作，所以要求系统的自动运行要稳定、纠错能力强，可靠运行。

（4）具有实时性;因为在工业控制应用中大多数是属于过程控制，这些领域对系统要求是必须具有实时性，而且还要求有实时性的嵌入式操作系统。

（5）嵌入式系统的开发一般采用宿主机/目标机模式;在某个环境下调试好目标机器的软件和硬件，才能使目标机器离开开发环境，从而独立运行。

嵌入式系统是是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，从而能够适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。它将操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中，具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点。特别适合于要求实时的和多任务的体系。

工业控制网络是由传感器、执行机构、显示和数据记录设备等组成，用于监视和控制电气设备的系统。由于工业控制系统特别强调可靠性和实时性。控制网络数据通信以引发物质或能量的运动为最终目的。用于测量与控制的数据通信的主要特点是：允许对实时的事件进行驱动通信，具有很高的数据完整性。

2.系统实现

系统的实现包括硬件实现和软件实现。

硬件实现：硬件中两个串行通信接口用以采集来自其他设备的远程的数据，然后由ARM 微处理器进行处理，处理后的结果通过以太网接口分发给其他设备。10M以太网接口的设计是考虑到通用性。USB接口分为两个主机接口和一个设备接口。LED用来在调试和使用过程中的显示数据结果。

软件实现

软件的实现包括两个方面，一个是系统的内核，另一个是设备的驱动程序。

（1）首先编译 Kernel的源代码：

在编译内核的过程中，最繁杂的事情就是这步配置工作。在配置过程中，大部分选项可以使用其缺省值，只有小部分需要根据用户不同的需要选择。选择的原则是将与内核其它部分关系较远且不经常使用的部分功能代码编译成为可加载模块，有利于减小内核的长度，减

小内核消耗的内存，简化该功能相应的环境改变时对内核的影响;不需要的功能就不要选;与内核关系紧密而且经常使用的部分功能代码直接编译到内核中。

（2）为每个设备编写程序

Linux系统的设备驱动程序完成的主要工作是：

①对每个硬件设备进行初始化和释放;

②数据传输，将数据从内核传到硬件设备，或者从硬件设备传到内核，读取应用程序传送给硬件设备的数据和回送应用程序请求的数据;

③检测和处理硬件设备出现的错误和异常;

Linux系统的设备驱动程序的主要组成部分有：

①自动配置和初始化子程序;

②服务于I/O请求的子程序;

③中断服务子程序;

根据所选择的设备和设备所要完成的功能分别进行编写。

3. 实时性解决办法

实时控制系统实质上是过程控制系统。实时操作系统首先考虑的是系统的实时性和可靠性。实时处理系统主要指对信息进行及时的处理。

高实时性是许多工业控制网络的基本要求。目前把Linux改造为嵌入式实时系统的方法有两个：一个方法是对Linux系统的内核进行改造;另一个方法是在 Linux 系统底层添加一个硬件抽象层。其目的都是为了保证系统会首先执行优先级更高的实时进程然后才是优先级低的普通进程，并且防止别的普通进程打断实时进程的运行。

本文从进程间通信方式调整、进程抢占式调度两方面提出两种系统改造方式：

第一，进程间通信方式调整。

用可抢占式内核的方法实现进程调度，需要采用关中断或使用信号量机制来保护临界区，需要提供进程间通信的若干实现方法。

第二，进程抢占式调度。

实时系统的调度必须满足以下条件：进程的优先级通过 API 指定、调度器自动选择并执行最高优先级的进程、调度在一个固定的时间周期里选择和执行最高优先级的进程。系统需要提供满足要求的调度方法。

4.系统测试分析

为了保证系统的正常运行，在理论上通过的前提下，测试是必不可少的。

从事嵌入式软件开发的缺点是：

(1) 入门起点较高，所用到的技术往往都有一定难度，若软硬件基础不好，特别是操作系统级软件功底不深，则可能不适于此行。

(2) 这方面的企业数量要远少于企业计算类企业。特别是从事嵌入式的小企业数量较多(小企业要搞自己的产品创业)，知名大公司较少(搞嵌入式的大公司主要有 Intel、Motorola、TI、Philip、Samsung、Sony、Futjtum、Bell-Alcatel、意法半导体、 Microtek、研华、华为、中兴通信、上广电等制造类企业)。这些企业的习惯思维方式是到电子、通信等偏硬专业找人。

(3)有少数公司经常要硕士以上的人搞嵌入式，主要是基于嵌入式的难度。但大多数公司也并无此要求，只要有经验即可。

同学们若学习嵌入式，显然应偏重于嵌入式软件，特别是嵌入式操作系统方面，应是我们的强项。

在嵌入式软件方面最重要的课程包括：

(1) 嵌入式微处理器结构与应用：这是一门嵌入式硬件基础课程，我们说过，嵌入式是