基于ARM&Linux的嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

朱 宇，馮明亮

（西安科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054）

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、嵌入式技術(shù)以及Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)控制領(lǐng)域正經(jīng)歷著一場前所未有的變革?？刂萍夹g(shù)的發(fā)展一直受到計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的制約?？刂葡到y(tǒng)從最初的CCS（計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)），到第二代的DCS（分散控制系統(tǒng)），再發(fā)展到現(xiàn)在很流行的FCS（現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）。而由于對諸如圖像、語音信號等大量數(shù)據(jù)、高速傳輸速率的要求又催生了信息網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。網(wǎng)路控制系統(tǒng)要求具有高性能、高實(shí)時(shí)性、低功耗、低成本，因此采用嵌入式系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，是將來網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)發(fā)展的重要方向之一。

1 嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的原理及優(yōu)點(diǎn)

1.1 現(xiàn)場總線技術(shù)的不足

目前最流行的控制系統(tǒng)是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，它實(shí)際上是連接現(xiàn)場智能設(shè)備和自動化控制設(shè)備的雙向串行、數(shù)字式、多節(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)，也被稱為現(xiàn)場底層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)（INFRANET）。和 Internet、Intranet等類型的信息網(wǎng)絡(luò)不同，控制網(wǎng)絡(luò)直接面向生產(chǎn)過程，因此要求很高的實(shí)時(shí)性、可靠性、資料完整性和可用性。

為滿足這些特性，現(xiàn)場總線對標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議作了簡化，省略了一些中間層，只包括ISO/OSI7層模型中的3層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。現(xiàn)場總線的突出特點(diǎn)在于它把集中與分散相結(jié)合的DCS集散控制結(jié)構(gòu)，變成新型的全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，依靠現(xiàn)場智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)基本控制功能。雖然現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展非常迅速，但也存在許多問題，制約其應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大。

1）不支持當(dāng)前主流網(wǎng)絡(luò)協(xié)議TCP/IP

現(xiàn)在總線通信標(biāo)準(zhǔn)采用物理層、鏈路層、應(yīng)用層、用戶層的總線標(biāo)準(zhǔn)，而當(dāng)前Internet網(wǎng)絡(luò)均采用ISO模型7層體系結(jié)構(gòu)。兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不一致使得控制網(wǎng)絡(luò)不能直接將信息傳送到信息網(wǎng)絡(luò)。

2）多種現(xiàn)場總線共存

目前世界上存在著大約40余種現(xiàn)場總線，如法國的FIP，英國的ERA，德國西門子公司Siemens的ProfiBus。如此眾多的現(xiàn)場總線共存導(dǎo)致了現(xiàn)場總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)難以得到統(tǒng)一，各種現(xiàn)場總線相互競爭，相互擠占市場。而各種現(xiàn)場總線技術(shù)相對保密，使得現(xiàn)場總線技術(shù)難以跨越式發(fā)展。

3）傳輸速率慢

目前最快的現(xiàn)場總線傳輸速率也不過500 kb/s，而普通家用Internet網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率已達(dá)到數(shù)Mb/s。最新研發(fā)的Internet網(wǎng)絡(luò)速率又將是現(xiàn)有速率的10 000倍。

1.2 嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)原理

嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，結(jié)合先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)的一種遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)能將監(jiān)控現(xiàn)場的監(jiān)控信息通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中的其他計(jì)算機(jī)上，并與信息系統(tǒng)融合在一起，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

隨著Internet技術(shù)迅速發(fā)展，以太網(wǎng)和TCP協(xié)議已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。因此，針對傳統(tǒng)現(xiàn)場總線技術(shù)的不足，希望工業(yè)控制設(shè)備具有Internet接入功能，能夠支持TCP/IP及其他Internet協(xié)議，采集數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，使用戶通過瀏覽器就可以查看設(shè)備狀態(tài)、設(shè)置設(shè)備參數(shù)、發(fā)送控制命令，從而達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的目的?；贏RM&Linux的嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)這個(gè)目的，它采用嵌入式技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)控制技術(shù)，是一種新型的遠(yuǎn)程監(jiān)控解決方案。

1.3 嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

在基于ARM&Linux的嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，由于硬件平臺采用高性能、低功耗、低成本的ARM處理器，操作系統(tǒng)采用具有高實(shí)時(shí)的Linux系統(tǒng)，而以Boa服務(wù)器作為嵌入式WEB服務(wù)器。因此該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、成本合理。

與傳統(tǒng)現(xiàn)場總線技術(shù)相比，在基于ARM&Linux的嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了信息網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)的集成融合。具有以下幾點(diǎn)顯著優(yōu)勢：

1）采用ARM&Linux的開發(fā)平臺，使得系統(tǒng)具有性能可靠、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)；

2）使用主流的TCP/IP協(xié)議，使得控制信息可以方便快捷地傳送到信息網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制的功能；

3）由于家用Internet網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率已達(dá)到數(shù)Mb/s，而最新研發(fā)的新Internet網(wǎng)絡(luò)速率又將是現(xiàn)有速率的10 000倍。因此該系統(tǒng)的傳輸速率比傳統(tǒng)現(xiàn)場總線技術(shù)快了很多，能夠更好地適應(yīng)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。

2 嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)硬件平臺的設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)中以SamsungS3C2440為微處理器，這是一款采用RISC技術(shù)的ARM9工業(yè)級芯片，工作頻率為400 MHz，擴(kuò)展64 MB SDRAM為程序運(yùn)行空間，擴(kuò)展256 MB FLASH存儲器用于程序和數(shù)據(jù)存儲，提供3個(gè)RS-232串行接口完成不同工業(yè)數(shù)據(jù)的采集和控制設(shè)備的能力，提供了1個(gè)100 M以太網(wǎng)RJ-45接口（采用DM9000網(wǎng)絡(luò)芯片）完成以太網(wǎng)傳輸，提供SD卡方便數(shù)據(jù)的移動存儲。

嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)前端數(shù)據(jù)采集使用DB1820溫度傳感器完成溫度數(shù)據(jù)的采集，通過RS-232串行接口傳送到SamsungS3C2440微處理器上的WEB服務(wù)器，通過瀏覽器，用戶可以方便地監(jiān)測控制。硬件平臺設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

3 操作系統(tǒng)構(gòu)建和WEB服務(wù)器的移植

3.1 系統(tǒng)Bootloader的移植

圖1 嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)硬件平臺框圖Fig.1 Block diagram of the Embedded network control system’s hardware plarform

系統(tǒng)的Bootloader（引導(dǎo)加載程序）是系統(tǒng)加電后運(yùn)行的第一段代碼，肩負(fù)著系統(tǒng)的引導(dǎo)任務(wù)，在嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中有著至關(guān)重要的作用。Bootloader的運(yùn)行時(shí)間非常短，但對于嵌入式系統(tǒng)來說，這是一個(gè)非常重要的系統(tǒng)組成部分，主要負(fù)責(zé)ARM硬件的初始化，設(shè)置Linux的啟動參數(shù)，然后跳轉(zhuǎn)到Linux內(nèi)核代碼的第一行語句引導(dǎo)Linux。本系統(tǒng)采用U-boot作為 Bootloader。

由于系統(tǒng)采用的硬件核心是SamsungS3C2440，所以在U-boot進(jìn)行移植時(shí)，應(yīng)以SamsungS3C2440的文件為基準(zhǔn)進(jìn)行修改。相關(guān)文件有/board/SamsungS3C2440，driver/nand，include/asm-arm/arch-SamsungS3C244等。

根據(jù)硬件系統(tǒng)修改完成相應(yīng)文件后，再修改Makefile文件實(shí)現(xiàn)交叉編譯。修改代碼如下：

ieq （$ （ARCH），arm） CROSS_COMPILE=/usr/local/arm/3.4.3bin/arm-linux-

交叉編譯完成后，通過JTAG下到開發(fā)板的Nor Flash中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的引導(dǎo)。

3.2 Linux內(nèi)核的移植

內(nèi)核是所有嵌入式系統(tǒng)的核心軟件，內(nèi)核移植是一個(gè)比較復(fù)雜的任務(wù)，也是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中非常重要的一個(gè)過程。內(nèi)核移植一般包括內(nèi)核配置，內(nèi)核編譯和內(nèi)核下載3大部分。移植過程關(guān)鍵步驟如下：

1）備下載Linux源碼 由于本系統(tǒng)采用的是linux2.6.32版本內(nèi)核，因此首先到linux官網(wǎng)上下載內(nèi)核，從http：//www.kernel.org/pub/linux/kernel/v2.6/下載2.6.32版本內(nèi)核。然后通過解壓縮得到內(nèi)核源碼。同時(shí)在linux系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境下安裝arm-linux-gcc交叉編譯器。

2）修改內(nèi)核代碼 修改內(nèi)核代碼主要是完成Linux內(nèi)核對處理器的支持和修改以及與外部設(shè)備代碼。首先在linux-2.6.32根目錄下修改Makefile文件，主要應(yīng)當(dāng)修改如下：

ARCH？=arm；說明目標(biāo)是ARM體系結(jié)構(gòu)；

CROSS_COMPILE？=/usr/local/arm/3.4.3/bin/arm-linuxgcc；設(shè)置為宿主機(jī)上交叉編譯工具的絕對路徑。

還需在arch目錄和include目錄中對以asm開頭的子目錄中修改與處理器有關(guān)的代碼。

3）配置和編譯內(nèi)核 配置內(nèi)核選項(xiàng)是移植內(nèi)核過程中至關(guān)重要的一步，主要是對內(nèi)核功能模塊進(jìn)行選擇及參數(shù)的設(shè)定。

在內(nèi)核源代碼目錄下運(yùn)行make menuconfig可對內(nèi)核進(jìn)行配置。配置完成后，可以保存，然后退出配置菜單界面，在內(nèi)核源代碼目錄上輸入make。編譯完成后，就會生成zImage映像文件。在內(nèi)核主目錄下運(yùn)行make zImage即可生成U-boot可以啟動的內(nèi)核映像。Linux內(nèi)核映像制作成功后，下載到ARM開發(fā)板后。

3.3 根文件系統(tǒng)的制作

根文件系統(tǒng)必須包含這些目錄：/dev、/bin、/sbin、/lib、/etc、/proc、/sys。其中/bin和/sbin可以通過Busybox進(jìn)行制作。

首 先 從 http：//busybox.ner/down-load/busybox-1.13.2.tar.bz2，下載Busybox1.13.2版本源碼包；然后解壓源代碼包：tar-jxvf busybox-1.13.2.tar.bz2。最后通過運(yùn)行make menuconfig對Busybox配置。文件系統(tǒng)配置、編譯完成后燒寫到指定的Nor Flash分區(qū)中。然后就可以從ARM開發(fā)板上成功啟動Linux。通過超級終端，可觀察到系統(tǒng)啟動界面如圖2所示。

圖2 超級終端顯示的系統(tǒng)啟動界面Fig.2 The system boot screen displayed of HyperTerminal

3.4 WEB服務(wù)器的移植

目前，能夠在ARM-Linux平臺下實(shí)現(xiàn)的嵌入式WEB服務(wù)器主要有3個(gè)：Httpd、Thttp和Boa。其中Boa是一個(gè)非常小巧的單線程的嵌入式WEB服務(wù)器，可執(zhí)行代碼只有約60 kB，且源代碼開放，它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是速度和安全，性能優(yōu)秀，特別適合嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。因此本系統(tǒng)采用基于Boa來實(shí)現(xiàn)嵌入式WEB服務(wù)器。Boa服務(wù)器主要移植過程如下所示：

首先，從http：//www.boa.org下載Boa服務(wù)器源代碼。本系統(tǒng)選用的版本是boa-0.94.13。其次是安裝并編譯Boa源代碼，執(zhí)行命令為：#tar xzvf boa.tar.gz。

生成Makefile文件#./configure后，即可修改Makefile文件。找到CC=gcc，將其改成CC=arm-linux-gcc；再找到CPP=gcc-E，將其改成CPP=arm-linux-gcc-E，最后保存退出。

運(yùn)行make進(jìn)行編譯后，即可在boa/src目錄下生成Boa文件，該文件即為Boa WEB服務(wù)器執(zhí)行文件。Boa啟動時(shí)將加載一個(gè)配置文件boa.conf?？梢愿鶕?jù)系統(tǒng)需要對其進(jìn)行修改，然后將修改后的boa.conf存放于嵌入式系統(tǒng)純根文件/etc/boa目錄下。

4 軟件程序設(shè)計(jì)

4.1 CGI技術(shù)簡介

CGI是公用網(wǎng)關(guān)接口，其主要功能是在WWW環(huán)境下，經(jīng)過客戶端傳送一些信息給WWW服務(wù)器，再由WWW服務(wù)器去調(diào)用指定的程序代碼來完成特定的工作，確切的說CGI是在WWW服務(wù)器上運(yùn)行程序代碼。當(dāng)用戶在網(wǎng)頁中輸入數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)先傳送給WWW服務(wù)器，再傳遞給CGI程序，WWW服務(wù)器在將用戶輸入的數(shù)據(jù)傳遞給CGI程序時(shí)，會先經(jīng)過一個(gè)編碼程序來完成數(shù)據(jù)的傳遞。

4.2 嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)前端數(shù)據(jù)采集使用DB1820溫度傳感器完成溫度數(shù)據(jù)的采集，然后通過RS-232串行接口直接傳送到SamsungS3C2440微處理器上的WEB服務(wù)器，之后通過瀏覽器，用戶可以方便地監(jiān)測控制。

因此系統(tǒng)軟件部分主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、服務(wù)器數(shù)據(jù)處理和CGI程序訪問等幾大部分。系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3 嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)工作流程Fig.3 Workflow of Embedded network control system

5 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)的基于ARM&Linux的嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，運(yùn)行良好。采用模擬多機(jī)訪問嵌入式服務(wù)器的方式，經(jīng)過檢測系統(tǒng)完成了前端數(shù)據(jù)采集和提供遠(yuǎn)程服務(wù)器訪問等功能。筆者設(shè)計(jì)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有很好的實(shí)用價(jià)值。

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[5]CPU：Samsung Electronics Co.Ltd USER'S MANUAL.S3C2440 32-Bit RISC Microprocessor Revision[Z].2002.

[6]Apache：fast，PD[EB/OL].http：//www.boa.org.