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Linux嵌入式测控系统设计
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2017-10-23
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0 引 言
当前，在工业控制领域，网络控制技术快速发展。网络控制要求测控系统必须具备两方面的功能：一方面要在现场完成复杂的测控任务，通常一些任务具有一定的实时性的要求；另一方面要求测控系统能够与某一类型的控制网相连，实现远程监控。而在目前应用的大多数测控系统中，嵌入式系统的硬件采用8/16位的单片机；软件多采用汇编语言编程，仅包含一个简单的循环处理的控制流程；单片机与单片机或上位机之间通信通过RS232、RS485来组网。这些网络存在通信速度慢、联网功能差、开发困难的问题。而工业以太网已逐步完善，在工业控制领域获得越来越多的应用。工业以太网使用了TCP/IP协议，便于联网，并具有高速控制网络的优点。现在，32位嵌入式CPU价格的下降，性能指标的提高，为嵌入式系统的广泛应用提供了可能性。基于上述情况，我们将嵌入式系统应用于测控系统，可大大提高测控系统的性能，嵌入式系统一般应用嵌入式操作系统来开发。在嵌入式操作系统的选择上，由于Linux有完整开放的源代码，可针对具体应用修改和优化系统，内核稳定，适用于多种CPU和多种硬件平台，支持网络等特点，因而选择Linux作为嵌入式操作系统。
1 测控系统总体设计
1.1 设计目标
测控系统以基于Linux的嵌入式系统为核心，设计目标归纳起来主要有以下几点：
（1）测控任务在现场完成。测控系统采用分散的控制策略，系统正常运行时上位机只起到状态监控的作用。在工业现场完成数据测量、数据处理、过程控制等多种任务，能确保一些任务完成的实时性。
（2）具有一定的自诊断、自校正的功能，将故障情况上传给上位机，便于维护人员查错、排错。具有动态显示和数据存储能力。
（3）测控系统可连到工业以太网，通过工业以太网实现远程监控。
1.2 技术路线
嵌入式系统以嵌入式微处理器为核心，运行嵌入式Linux 操作系统。应用程序可通过网络进行更新；通过键盘进行人机对话；数据可通过LCD现场显示；重要数据可以文件形式保存在Flash存储器中；数据和报警信息可通过串口向上位机传输，也可通过以太网口向工业以太网或Inernet发布信息，用户通过显示界面查看设备状态，设置设备参数，实现远程监控、远程维护。
1.3 总体框图
图1 系统框图
2 基于Linux的嵌入式系统的设计
2.1 硬件设计
考虑一般测控系统对嵌入式系统要求比较多的功能有：键盘接口、显示接口、A/D（或D/A）转换单元、可扩展的I/O接口、打印机接口、与PC机通信的串行接口、以太网口等。实现的嵌入式系统硬件框图如下：
图2 硬件框图
针对测控系统的应用，选择Motorola的Coldfire系列的MCF5307.MCF5307是一款高性能、低价位、高集成度的微处理器，为嵌入式控制应用而设计。MCF5307的处理能力达70 MIPS，工作频率88.47 MHz，总线频率44.236 MHz，为运行Linux提供硬件上的支持，在开发板上还集成有16 M的SDRAM、2 M的FLASH、10 baseT以太网接口、RS232/RS485串口、I/O接口等。
当前，在工业控制领域，网络控制技术快速发展。网络控制要求测控系统必须具备两方面的功能：一方面要在现场完成复杂的测控任务，通常一些任务具有一定的实时性的要求；另一方面要求测控系统能够与某一类型的控制网相连，实现远程监控。而在目前应用的大多数测控系统中，嵌入式系统的硬件采用8/16位的单片机；软件多采用汇编语言编程，仅包含一个简单的循环处理的控制流程；单片机与单片机或上位机之间通信通过RS232、RS485来组网。这些网络存在通信速度慢、联网功能差、开发困难的问题。而工业以太网已逐步完善，在工业控制领域获得越来越多的应用。工业以太网使用了TCP/IP协议，便于联网，并具有高速控制网络的优点。现在，32位嵌入式CPU价格的下降，性能指标的提高，为嵌入式系统的广泛应用提供了可能性。基于上述情况，我们将嵌入式系统应用于测控系统，可大大提高测控系统的性能，嵌入式系统一般应用嵌入式操作系统来开发。在嵌入式操作系统的选择上，由于Linux有完整开放的源代码，可针对具体应用修改和优化系统，内核稳定，适用于多种CPU和多种硬件平台，支持网络等特点，因而选择Linux作为嵌入式操作系统。
1 测控系统总体设计
1.1 设计目标
测控系统以基于Linux的嵌入式系统为核心，设计目标归纳起来主要有以下几点：
（1）测控任务在现场完成。测控系统采用分散的控制策略，系统正常运行时上位机只起到状态监控的作用。在工业现场完成数据测量、数据处理、过程控制等多种任务，能确保一些任务完成的实时性。
（2）具有一定的自诊断、自校正的功能，将故障情况上传给上位机，便于维护人员查错、排错。具有动态显示和数据存储能力。
（3）测控系统可连到工业以太网，通过工业以太网实现远程监控。
1.2 技术路线
嵌入式系统以嵌入式微处理器为核心，运行嵌入式Linux 操作系统。应用程序可通过网络进行更新；通过键盘进行人机对话；数据可通过LCD现场显示；重要数据可以文件形式保存在Flash存储器中；数据和报警信息可通过串口向上位机传输，也可通过以太网口向工业以太网或Inernet发布信息，用户通过显示界面查看设备状态，设置设备参数，实现远程监控、远程维护。
1.3 总体框图
图1 系统框图
2 基于Linux的嵌入式系统的设计
2.1 硬件设计
考虑一般测控系统对嵌入式系统要求比较多的功能有：键盘接口、显示接口、A/D（或D/A）转换单元、可扩展的I/O接口、打印机接口、与PC机通信的串行接口、以太网口等。实现的嵌入式系统硬件框图如下：
图2 硬件框图
针对测控系统的应用，选择Motorola的Coldfire系列的MCF5307.MCF5307是一款高性能、低价位、高集成度的微处理器，为嵌入式控制应用而设计。MCF5307的处理能力达70 MIPS，工作频率88.47 MHz，总线频率44.236 MHz，为运行Linux提供硬件上的支持，在开发板上还集成有16 M的SDRAM、2 M的FLASH、10 baseT以太网接口、RS232/RS485串口、I/O接口等。
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