基于 ARM 和 Linux 通用工控平臺設(shè)計與實現(xiàn)

隨著工控技術(shù)的進步和市場競爭的加劇，開發(fā)人員通常需要在盡可能短的時間內(nèi)設(shè)計出滿足用戶要求的測控系統(tǒng)。本文針對嵌入式系統(tǒng)的特點，以高性價比的32位ARM嵌入式處理器AT91RM9200為硬件核心，搭建了通用工控硬件平臺，在此平臺上移植嵌入式Linux操作系統(tǒng)和圖形界面開發(fā)環(huán)境MiniGUI。以此通用工控平臺為基礎(chǔ)，可以方便地構(gòu)建工程應(yīng)用所需的絕大部分自動測控系統(tǒng)。其應(yīng)用無論是在性能還是在成本方面都極具競爭力，這預(yù)示著本平臺具有較好的應(yīng)用前景。

本工控平臺在硬件上，選擇ATMEL公司的AT91RM9200微處理器，并對其最小系統(tǒng)及外圍部件進行設(shè)計，以適應(yīng)當(dāng)前工控現(xiàn)場更加豐富的技術(shù)要求，并結(jié)合工業(yè)測控Modbus協(xié)議，擴展多種通信接口，滿足用戶的通信需求。與此同時，選擇嵌入式Linux操作系統(tǒng)為測控軟件的開發(fā)提供了性能優(yōu)良軟件平臺。

通用工控硬件平臺設(shè)計
1 AT91RM9200微處理器最小系統(tǒng)構(gòu)成
最小系統(tǒng)是保證微處理器可靠工作所必需的基本電路?；贏T91RM9200微處理器的最小嵌入式系統(tǒng)由微處理器AT91RM9200、電源電路、晶體振蕩器電路、復(fù)位電路、JTAG接口、存儲器模塊、串行調(diào)試接口等電路組成。至此就具備了設(shè)計開發(fā)一款基于ARM微處理器的通用工控平臺的硬件基礎(chǔ)。

2 硬件平臺外圍接口電路
利用AT91RM9200豐富的內(nèi)置外設(shè)，可以方便的擴展外圍接口，如表2所示。

3 硬件平臺用戶接口
系統(tǒng)對外提供一個2*32針的標(biāo)準(zhǔn)3U插槽，共64針。3U插槽專門設(shè)計用于便攜式應(yīng)用，特別適合作為一體化的移動控制器用于工業(yè)測控、產(chǎn)品線、運輸系統(tǒng)和交通控制系統(tǒng)的應(yīng)用。

4 硬件平臺結(jié)構(gòu)
根據(jù)上述對AT91RM9200最小系統(tǒng)及各外圍部件的設(shè)計，最終構(gòu)成以AT91RM9200微處理器為硬件核心的通用工控硬件平臺，如圖1所示。

圖1 通用工控平臺硬件結(jié)構(gòu)

通用工控軟件平臺設(shè)計
1 基于ARM硬件平臺搭建Linux操作系統(tǒng)
ARM-Linux開發(fā)環(huán)境搭建
建立以嵌入式Linux為操作系統(tǒng)的工控平臺的開發(fā)環(huán)境和在Windows下安裝虛擬機Linux環(huán)境的軟件的開發(fā)環(huán)境，嵌入式Linux內(nèi)核編譯、應(yīng)用程序編譯都在該虛擬機完成。為了提高開發(fā)效率，以虛擬機中安裝的Linux為服務(wù)器，通過Windows客戶端使用Telnet或SSH登錄服務(wù)器，服務(wù)器可自由在客戶端中下載必需的開發(fā)工具及軟件，調(diào)試應(yīng)用程序時，可以先在PC的Linux環(huán)境下進行模擬，然后通過DEBUG調(diào)試串口下載在目標(biāo)平臺下。這種開發(fā)環(huán)境的優(yōu)點是只需要一臺計算機就可以真實的模擬Linux，具體過程如圖2所示。

圖2 開發(fā)環(huán)境

交叉編譯
交叉編譯就是在一個平臺上生成另一個平臺上的可執(zhí)行代碼。所謂平臺，實際上包含兩個概念：體系結(jié)構(gòu)及操作系統(tǒng)。根據(jù)上述建立的開發(fā)環(huán)境，目標(biāo)平臺是基于ARM體系結(jié)構(gòu)的運行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，而開發(fā)編譯環(huán)境是基于PC中虛擬機上的Linux操作系統(tǒng)。若在目標(biāo)平臺上運行程序，則須在PC開發(fā)環(huán)境下對代碼進行交叉編譯以適應(yīng)目標(biāo)平臺。

依據(jù)環(huán)境變量PREFIX，將編譯好的工具鏈安裝到指定文件夾就可以使用了。

例如，修改arm-Linux-gcc-2.95.3的環(huán)境變量為：
PATH=$PATH:$HOME/bin:$PREFIX/bin:/usr/local/arm/2.95.3/bin:/sbin:/usr/sbin:/usr/local/sbin，同時編寫hello.c程序進行驗證
$arm-Linux-gcc hello.c -o hello-arm
$file hello-arm
hello-arm: ELF 32-bit LSB executable, ARM, version1 (ARM), for GNU/Linux 2.0.0, dynamically linked (uses shared libs),not stripped
這表明生成的hello-arm可以在ARM平臺上運行，也證明交叉編譯工具鏈?zhǔn)怯行Р⑶铱捎玫摹?/p>

 Linux內(nèi)核編譯下載
具體步驟如下：

(1) 解壓Linux-2.6.21-2009-04 -10.bz2：tar  xjvf Linux-2.6.21 -2009-04-10.bz2；

(2)  進入Linux-2.6.21目錄，內(nèi)核編譯：make uImage；

(3) 編譯完成后，通過SSH把uImage文件拷貝到Windows環(huán)境下；

(4)  配置U-Boot環(huán)境變量；

(5)  配置tftp服務(wù)器：運行Linux系統(tǒng)下的tftp服務(wù)器，復(fù)制Linux內(nèi)核的uImage文件到tftp下載工作目錄下，啟動tftp服務(wù)，確保PC和AT91RM9200接入同一網(wǎng)段；

(6) 下載內(nèi)核映像文件，并在U-Boot提示符下擦除Flash；

(7) 下載內(nèi)核映像文件到Flash中；

Linux文件系統(tǒng)
軟件平臺使用cramfs文件系統(tǒng)，其特點是：系統(tǒng)訪問某個位置的數(shù)據(jù)時，立即計算出該數(shù)據(jù)在cramfs中的位置，解壓到RAM中，然后通過內(nèi)存訪問來獲取數(shù)據(jù)，cramfs中的解壓縮之后的內(nèi)存中的數(shù)據(jù)存放位置都是由cramfs文件系統(tǒng)本身來管理，用戶并不需要實現(xiàn)過程，因此增加了透明度，給開發(fā)人員節(jié)約了時間。

2 Linux操作系統(tǒng)下設(shè)備驅(qū)動開發(fā)
Linux上的設(shè)備驅(qū)動非常豐富，支持各種主流硬件設(shè)備和最新的硬件技術(shù)。設(shè)備驅(qū)動程序在Linux內(nèi)核中，是一個個獨立的“黑盒子”，使某個特定的硬件響應(yīng)一個定義良好的內(nèi)部編程接口，同時完全隱藏設(shè)備的工作細節(jié)。通過一組標(biāo)準(zhǔn)化的調(diào)用，把這些調(diào)用映射到設(shè)備特定的操作上，則是設(shè)備驅(qū)動程序的任務(wù)。而在Linux系統(tǒng)里，每一個設(shè)備都被看作一個文件，打開的設(shè)備在內(nèi)核中由一個File結(jié)構(gòu)標(biāo)志，內(nèi)核使用File_operations結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動程序的函數(shù)。每個設(shè)備與一組標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)集關(guān)聯(lián)。

3 Linux操作系統(tǒng)下應(yīng)用程序開發(fā)
采取在PC上編譯應(yīng)用程序，運行測試通過后，再通過網(wǎng)絡(luò)或串口等方法下載到目標(biāo)平臺/usr目錄下，對于較小的程序，使用串口下載比較方便，具體的步驟為

(1)  PC模擬環(huán)境下開發(fā)程序，交叉編譯；

(2)  待ARM平臺下Linux正常運行后，進入usr目錄，然后選擇下載的程序；

(3)  下載完成后，chmod +x filenam修改文件屬性為可執(zhí)行命令；

(4)  執(zhí)行剛下載的文件命令為./filename。

通用工控平臺人機交互通信機制實現(xiàn)
嵌入式GUI為嵌入式系統(tǒng)提供了一種應(yīng)用于特殊場合的人機交互接口。新一代嵌入式GUI的主要特征有：以用戶為中心、多通道、智能化、高帶寬。嵌入式Linux 系統(tǒng)中，幾乎所有的GUI 都建立在FrameBuffer設(shè)備上。

MiniGUI 是一個根據(jù)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用特點量身定做的完整的圖形支持系統(tǒng)。將現(xiàn)代窗口和圖形技術(shù)帶入到嵌入式設(shè)備，是一個非常適合于嵌入式設(shè)備的高效、可靠、可定制、小巧靈活的圖形用戶界面支持系統(tǒng)，主要優(yōu)點可總結(jié)為支持多種嵌入式操作系統(tǒng)，具備優(yōu)秀的可移植性；可伸縮的系統(tǒng)架構(gòu)，易于擴展；功能豐富，可靈活剪裁；得到小體積高性能間的最佳平衡且具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

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1 移植MiniGUI前準(zhǔn)備
MiniGUI 1.3.3是MiniGUI的開源版本，并且資源豐富，性能穩(wěn)定，因此選用MiniGUI 1.3.3作為GUI的開發(fā)環(huán)境。進行MiniGUI移植需要準(zhǔn)備表3所列的文件，它們可在互聯(lián)網(wǎng)上獲得。

2 PC模擬器開發(fā)環(huán)境搭建
建立自己的開發(fā)目錄，解壓文件libminigui-1.3.3.tar.gz和minigui-res-1.3.3.tar.gz；編譯安裝MiniGUI運行所需庫文件libminigui；安裝資源文件minigui-res-1.3.3；修改/etc/ld.so.conf 文件，加入一行/usr/local/lib，然后執(zhí)行[root]# ldconfig 按照硬件平臺配置與開發(fā)環(huán)境的設(shè)置修改minigui配置文件，包括修改路徑，屏幕分辨率等。

PC模擬器開發(fā)環(huán)境搭建完畢后，就可在 PC上開發(fā)應(yīng)用程序，在 qvfb中執(zhí)行，驗證程序的正確后，就可以進行交叉編譯下載運行。

3 交叉編譯Minigui1.3.3
解壓arm-Linux-2.95.3.bz2文件安裝交叉編譯工具?cross-2.95.3，安裝之后修改.bashrc腳本，設(shè)置環(huán)境變量：PATH="$PATH:/sbin:/usr/local/arm/2.95.3/bin:/usr/local/bin:/usr/local"。

接下來依次安裝 zlib庫，png庫、libttf庫，它們的作用分別是：其他的庫的編譯基礎(chǔ)、顯示PNG圖形、顯示文字。完成以上附加庫的交叉編譯工作后就可以編譯libminigui了。把/usr/local/arm/2.95.3/arm-Linux/lib中相應(yīng)的庫拷到目標(biāo)板/usr/lib目錄下，拷貝時先對庫文件執(zhí)行arm-Linux-strip命令，去除文件中的調(diào)試信息。同時把資源文件復(fù)制到目標(biāo)平臺的/usr/local/lib目錄下。這樣就完成了交叉編譯工作，可以將PC上調(diào)試好的應(yīng)用程序下載到目標(biāo)硬件平臺下進行應(yīng)用了。

通用工控平臺人機界面開發(fā)
1 人機交互界面需求分析及總體設(shè)計
通用工控平臺通信人機交互界面是集功能演示、信息采集、設(shè)備狀態(tài)、通信交互等功能于一身的人機交互平臺，可以高效、直觀的顯示通用工控平臺的基本信息，同時有效的指導(dǎo)用戶的操作，提高使用效率，是用戶和通用工控平臺交互的主要方式。

該人機交互界面顯示器選用PHILIPS公司的14英寸彩色顯示屏，軟件運行環(huán)境選用嵌入式操作系統(tǒng)Linux 2.6.21和GUI開發(fā)環(huán)境MiniGUI 1.3.3構(gòu)成，整個軟件的設(shè)計過程需要完成以下功能：

(1)  實時顯示該平臺具體信息，及本網(wǎng)內(nèi)在線的其他工控設(shè)備的信息；

(2)  以該平臺為控制器實現(xiàn)對本網(wǎng)內(nèi)在線的其他常見設(shè)備的多線程信息采集與控制；

(3)  以UDP及RS485兩種通信方式實時控制工控網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部；

(4)  對工控設(shè)備掉線自動斷開連接，防止用戶誤操作；

通用工控平臺通信人機交互界面主要是針對UDP和RS485兩種組網(wǎng)方式基于Modbus協(xié)議完成工控系統(tǒng)中功能演示、信息采集、設(shè)備狀態(tài)、通信交互的功能，設(shè)計上要求簡單實用，操作方便，而復(fù)雜的界面會帶來不必要的開銷并影響性能。根據(jù)需求分析設(shè)定人機交互界面整體設(shè)計方案及效果圖如圖3、圖4所示。

圖3 人機交互界面整體設(shè)計方案

圖4 總體效果圖

2 界面設(shè)計流程
利用MiniGUI進行界面設(shè)計流程如圖5所示。

圖5 界面設(shè)計流程

基于工業(yè)測控Modbuss協(xié)議的通信實現(xiàn)方案
一個好的工控平臺必須具備高效通信的功能，才能跟上工業(yè)發(fā)展的要求。本文所設(shè)計的通用工控平臺，可以作為控制中心對通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集和控制，包括工控現(xiàn)場典型意義上的數(shù)模轉(zhuǎn)換設(shè)備，模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備，數(shù)字量設(shè)備等，隨時掌握各個工作現(xiàn)場的情況。由于Modbus協(xié)議是工業(yè)測控領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，協(xié)議簡單，應(yīng)用廣泛，因此本平臺通信軟件的設(shè)計就采用Modbus協(xié)議。

工業(yè)測控領(lǐng)域常見的組網(wǎng)方式主要有UDP方式和RS485方式，分別以自身獨特的優(yōu)勢在工業(yè)組網(wǎng)占據(jù)著一定地位。為實現(xiàn)工控平臺通用性的設(shè)計目標(biāo)，本平臺將兩種組網(wǎng)方式融合在通信人機交互界面中，圖6為本平臺通信的拓撲結(jié)構(gòu)圖。

圖6 通信拓撲結(jié)構(gòu)

結(jié)語
在基于ARM和Linux的通用工控平臺的研制過程中，硬件平臺選擇合適的ARM微處理器AT91RM9200，并對其外圍部件進行擴展，以適應(yīng)當(dāng)前工控現(xiàn)場更加豐富的技術(shù)要求，并結(jié)合現(xiàn)場總線技術(shù)，擴展多種通信接口，滿足用戶的通信需求；軟件平臺采用嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用最廣的Linux為操作系統(tǒng)，同時構(gòu)建交叉編譯環(huán)境，并充分利用開源軟件，基于圖形界面開發(fā)的MiniGUI，針對工控領(lǐng)域的總線協(xié)議Modbus設(shè)計出基于UDP和RS485兩種通信結(jié)構(gòu)的工控人機交互界面，實現(xiàn)了以網(wǎng)絡(luò)溝通能力強、接口豐富為技術(shù)指標(biāo)的基于ARM和Linux的通用工控平臺。

本通用工控平臺的主要特色有：

(1)硬件接口豐富，適應(yīng)工業(yè)測控領(lǐng)域各種需求；

(2)使用3U插槽，增強通用性及擴展性；

(3)基于Linux操作系統(tǒng)及MiniGUI圖形界面開發(fā)環(huán)境，人機交互界面友好便捷；

(4)采用工業(yè)測控Modbus通信協(xié)議，基于串行RS485及網(wǎng)絡(luò)UDP構(gòu)建通信拓撲結(jié)構(gòu)，應(yīng)用范圍廣泛、性能可靠、實時性高。