嵌入式通用通信管理裝置的設(shè)計(jì)與研究

林永欽

摘 要：本文提出了一種基于嵌入式技術(shù)的通用通信管理裝置設(shè)計(jì)方案。整套方案中通過對嵌入式Linux操作系統(tǒng)以及嵌入式控制PC操作平臺的合理應(yīng)用，面向外部提供以太網(wǎng)接口（1個）、標(biāo)準(zhǔn)串行工作接口（8個）、以及CAN現(xiàn)場總線接口（1個），可在各個領(lǐng)域計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的各個通信環(huán)節(jié)中加以應(yīng)用，具有良好的可靠性以及通用性，值得引起重視。

關(guān)鍵詞：嵌入式技術(shù)；通信管理裝置；設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0.引言

當(dāng)前通信管理裝置為滿足功能需求，面向以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線等提供了多種對外連接方式，軟件方面則多搭載多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對不同通信接口的獨(dú)立編程并支持信息的交互式連接。但由于此類通信管理裝置的運(yùn)行必須在上位機(jī)安裝目標(biāo)機(jī)的虛擬環(huán)境，導(dǎo)致內(nèi)存占用巨大，加之組態(tài)調(diào)試功能的實(shí)現(xiàn)必須以虛擬環(huán)境為依托，因此也增加了現(xiàn)場運(yùn)行人員的操作難度。所以，如何研究實(shí)現(xiàn)一種可適宜網(wǎng)絡(luò)以及現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展方向，無須進(jìn)行二次開發(fā)的通用型通信管理裝置已成為業(yè)內(nèi)人士高度重視的一項(xiàng)課題。

1.嵌入式通用通信管理裝置基本原理

整套通用通信管理裝置主處理器選用工業(yè)級PC104嵌入式控制PC，系統(tǒng)軟件選用嵌入式Linux系統(tǒng)，面向外部提供以太網(wǎng)接口（1個）、標(biāo)準(zhǔn)串行工作接口（8個）、以及CAN現(xiàn)場總線接口（1個）。

系統(tǒng)CPU采用基于X86的CPU工作模塊，提供標(biāo)準(zhǔn)ISA總線，CPLD選型為EPM3256，共配置144個引腳以及256個宏單元，完全可滿足嵌入式設(shè)計(jì)的實(shí)際需求。在CPLD編譯碼處理基礎(chǔ)之上生成包括串口控制器、地址芯片以及CAN控制器等在內(nèi)的片選信號。電源模塊選型為APC086-005A模塊，輸出參數(shù)為5VDC/4A，輸入?yún)?shù)為220VDC/AC。

2.嵌入式通用通信管理裝置硬件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)方面，引入嵌入式技術(shù)背景下，通用通信管理裝置的硬件結(jié)構(gòu)中主要體現(xiàn)以下技術(shù)：第一，整套通用通信管理裝置硬件結(jié)構(gòu)內(nèi)部選用PC104嵌入式控制PC裝置，該P(yáng)C裝置結(jié)構(gòu)高度集成，與IBM-PC/AT有良好兼容性，且功耗低、體積小，有良好的適應(yīng)性。同時，通信通道選用相互獨(dú)立的電路設(shè)計(jì)以及中斷設(shè)計(jì)方案，運(yùn)行性能安全可靠；第二，以嵌入式技術(shù)下的Linux操作系統(tǒng)作為通用通信管理裝置的軟件平臺，利用中央處理器在任務(wù)切換方面的功能優(yōu)勢，可支持多任務(wù)環(huán)境下通用通信管理裝置的高效運(yùn)行，具有良好的運(yùn)算速度以及通信處理能力；第三，通用通信管理裝置以固態(tài)電子盤作為儲存介質(zhì)，能夠避免硬盤轉(zhuǎn)動部件運(yùn)行中存在的不可靠性，通過連接看門狗的方式，確保PC單機(jī)嵌入控制下具有良好的運(yùn)行可靠性；第四，整套通用通信管理裝置所配備相關(guān)通信接口均支持獨(dú)立編程以及多種不同連接方式，能夠根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景滿足不同功能需求。

3.嵌入式通用通信管理裝置軟件設(shè)計(jì)

整套通用通信管理裝置開發(fā)環(huán)境選用嵌入式Linux開發(fā)系統(tǒng)，系統(tǒng)操作平臺操作便捷穩(wěn)定，內(nèi)核小且多任務(wù)并存，具有確切應(yīng)用優(yōu)勢。同時，基于Linux的操作平臺還具有內(nèi)核單一、源碼公開的特點(diǎn)，內(nèi)核中封裝保存所有與系統(tǒng)相關(guān)的功能，且上述功能能夠根據(jù)系統(tǒng)裝置實(shí)際使用需求動態(tài)裝入或卸載。經(jīng)減載后整套Linux操作平臺內(nèi)核共包括以下幾個部分：第一是內(nèi)存管理模塊，第二是進(jìn)程管理模塊，第三是進(jìn)程間通信模塊，第四是文件系統(tǒng)管理模塊，第五是網(wǎng)絡(luò)接口模塊。硬件層主要功能實(shí)現(xiàn)面向應(yīng)用程序提供統(tǒng)一操作接口，同時以與硬件無關(guān)的高層抽象層直接控制硬件資源；解釋組件由文件系統(tǒng)類型以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議構(gòu)成，主要目的是使內(nèi)核了解如何與特定設(shè)備實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)交互處理；應(yīng)用程序?qū)觿t面向裝置提供實(shí)時性數(shù)據(jù)庫，根據(jù)不同物理接口提供相對應(yīng)的交互函數(shù)以及數(shù)據(jù)庫存取函數(shù)，支持對串口通信驅(qū)動程序異常運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)督，支持驅(qū)動軟件以及整套通用通信管理裝置的重啟。在軟件設(shè)計(jì)方面，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下幾個方面的問題：

3.1裝置軟件設(shè)計(jì)

整套通用通信裝置采用結(jié)構(gòu)化思想完成軟件設(shè)計(jì)?；舅悸肥牵菏紫韧瓿赏ㄓ猛ㄐ叛b置系統(tǒng)內(nèi)部相關(guān)硬件模塊的驅(qū)動程序設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)之上增加管理機(jī)構(gòu)對周期性運(yùn)動驅(qū)動程序處理與調(diào)度任務(wù)負(fù)責(zé)，最后完成應(yīng)用程序設(shè)計(jì)即可。通信裝置內(nèi)部軟件包括任務(wù)模塊程序、主程序、以及中斷程序。主程序中初始化應(yīng)完成包括設(shè)置通信口、讀取源數(shù)據(jù)、設(shè)置通信存儲緩沖區(qū)以及中斷向量等工作任務(wù)；中斷程序初始化應(yīng)完成子程序定時中斷、串口中斷子程序等工作任務(wù)；任務(wù)模塊程序初始化則應(yīng)完成系統(tǒng)常規(guī)處理以及信息中斷處理等工作任務(wù)。主程序在循環(huán)過程中獲取通信管理裝置中各個模塊的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)集中處理后發(fā)送至相應(yīng)緩沖區(qū)內(nèi)，同時就SCADA以及RTU模塊接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的相關(guān)指令進(jìn)行處理。

基于Windows的操作系統(tǒng)平臺支持下，軟件開發(fā)語言選用Visual C++語言，搭載該編程語言實(shí)現(xiàn)梯形圖編寫任務(wù)、同時，利用編譯程序構(gòu)造工具生成與開發(fā)語言相對應(yīng)的分析器，將分析器與VC開發(fā)環(huán)境相結(jié)合，編譯梯形圖源語言。

3.2在線調(diào)試模塊

通用通信管理裝置與PC單機(jī)的通信通過以太網(wǎng)接口連接方式實(shí)現(xiàn)，支持對各個串口規(guī)約腳本以及配置文件的下載。同時，通過控制各通信接口標(biāo)準(zhǔn)解釋進(jìn)程的方式，間接支持對梯形圖的在線調(diào)試以及對通信接口的規(guī)約調(diào)試功能。

3.3跨平臺應(yīng)用

對于將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于內(nèi)部的通信管理裝置而言，為面向不同外部工作接口提供驅(qū)動軟件支持，多需要搭載上位機(jī)Windows操作系統(tǒng)安裝目標(biāo)機(jī)虛擬環(huán)境以及開發(fā)語言包。在此基礎(chǔ)之上，根據(jù)待通信設(shè)備所對應(yīng)的通信規(guī)約要求編輯驅(qū)動軟件源代碼，并經(jīng)交叉編譯的方式生成目標(biāo)機(jī)可執(zhí)行代碼。但在應(yīng)用層中，由于廠家生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，在跨平臺應(yīng)用中尚無具有通用性的規(guī)約或標(biāo)準(zhǔn)，因此研發(fā)人員必須在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)廠家以及產(chǎn)品特點(diǎn)，對應(yīng)不同軟件規(guī)約并完成源碼級的編譯以及下載操作。針對該問題，本研究中引入嵌入式技術(shù)支持通用通信管理裝置軟件的設(shè)計(jì)，在梯形圖基礎(chǔ)之上完成對用戶應(yīng)用層通信規(guī)約的編程操作，搭載內(nèi)嵌式技術(shù)實(shí)現(xiàn)對解釋執(zhí)行梯形進(jìn)程的程序，待通信設(shè)備驅(qū)動通過可視化梯形組態(tài)方式進(jìn)行編輯，在此基礎(chǔ)之上生成二進(jìn)制工作代碼，在目標(biāo)機(jī)中完成對代碼的下載即可。

結(jié)語

本文上述分析中介紹了一種以嵌入式技術(shù)為核心的通用通信管理裝置設(shè)計(jì)方案，在嵌入式技術(shù)的應(yīng)用下，可支持梯形圖進(jìn)行規(guī)約編程，整套通用通信管理裝置具有靈活性高、操作方便、步驟簡單等優(yōu)勢，完全可滿足通信管理裝置與相關(guān)功能設(shè)備數(shù)據(jù)交互通信功能的實(shí)現(xiàn)，也能夠支持相關(guān)設(shè)備與以太網(wǎng)以及現(xiàn)場總線的高效連接。嵌入式技術(shù)應(yīng)用北京下，整套通用通信管理裝置以梯形圖作為開發(fā)語言環(huán)境，符合現(xiàn)行國際標(biāo)準(zhǔn)，可支持通信管理裝置的跨平臺應(yīng)用，具有良好的推廣應(yīng)用價值與發(fā)展?jié)摿Α?/p>

參考文獻(xiàn)

[1]李云春，秦先龍，王嘯，等.網(wǎng)絡(luò)處理器和通用處理器相結(jié)合的流量識別系統(tǒng)[J].高技術(shù)通信，2010，20（10）：991-995.

[2]張帆，孫璇，馬建峰，等.供應(yīng)鏈環(huán)境下通用可組合安全的RFID通信協(xié)議[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2008，31（10）：1754-1767.