基于μCLinux的嵌入式智能節點的設計與實現

山東交通學院，山東濟南 250357

一、 引言

傳統的用于工業現場監測的智能節點多是基于現場總線技術。由于自身技術的局限性以及多種總線標準分割共存局面的存在，現場總線技術在工控領域的進一步應用受到了限制[1]。

基于μCLinux操作系統的網絡化節點由嵌入式處理器、外圍硬件、嵌入式操作系統及應用軟件系統等組成，具有多路模擬量和開關量的實時采集與顯示、可以通過上位機實現遠程控制、完成數據采集記錄、檢測故障記錄、上下限報警、歷史數據記錄、網絡數據傳輸等功能。采用帶有以太網接口和控制器的嵌入式節點為船舶設備的網絡化數據采集和遠程智能監控提供了硬件支持。

二、μCLinux系統移植

嵌入式控制系統需要一個實時的操作系統對系統控制節點進行管理。對內可以管理控制節點上各設備的運作和協調；對外則可以連接到Internet。μCLinux不僅集成了TCP/IP協議，還有很豐富的其它網絡協議，如 DHCP Server，webserver等[2]。

μClinux是一個源碼開放的操作系統，具有良好的移植性，可以移植到不同的微處理器的開發板上。在編譯系統內核時可以對內核重新配置和裁減，選擇嵌入式設備所需的功能支持模塊以減小內核大小達到在嵌入式系統有限資源的基礎上實現所需功能。μCLinux的移植工作主要是用源代碼建立交叉編譯環境，對內核配置編譯，制作文件系統，下載調試和執行內核后添加應用程序。可按以下步驟進行：

（1）首先下載μClinux源碼包和交叉編譯器，這里分別用的是uClinux-dist- 20040408.tar.gz版本和armelf-tools-20030314.sh。

（2）將uClinux-dist-20040408.tar.gz拷貝到/home/下進行解壓縮，在/home/下生成uClinux-dist目錄。解壓命令：tar xvzf uClinux-ARMSYS-20040801.tar.gz

（3）進行補丁文件的安裝。

把補丁文件uClinux-20040408.patch文件拷貝到uClinux-dist目錄下，運行命令：patch-p0< uClinux-20040408.patch 。 分別在 uClinuxdist/linux-2.4.x目錄和在uClinux-dist/config下生成內核配置文件kernel_44b0.cfg和用戶配置文件user_44b0.cfg。

（4）安裝交叉編譯器：將arm-elftools-20030314.sh拷貝到根目錄，運行安裝：sh arm-elf-tools-20030314.sh。它將會安裝在usr/local/目錄下。

（5）內核的配置：在目錄uClinux-dist下,運行make menuconfig命令進行開發板、芯片、版本號和庫文件設置，這里我們依次選為Samsung,、4510B、linux-2.4.x和μClib。

進入內核定制界面，選項“載入內核配置文件”，選中該項并回車，這時輸入配置文件kernel_44b0.cfg，因為在打補丁時該文件已生成在默認目錄下，此處只需將文件名輸入。

隨后是載入配置文件user_44b0.cfg后對用戶應用程序的界面配置。為了使使內核映像和根文件映像占用空間較小，可以把不需要的一些應用程序去掉。配置完畢后退出并保存。

（6）對內核進行編譯，燒入壓縮格式的內核映象文件。

編譯完成后將在uClinux-dist/image下生成image.ram, image.rom, romfs.img 三個映像文件，把它們改成后綴名為.bin格式的文件燒入Flash中。

（7）應用程序的添加：在uClinux-dist/user目錄下新建目錄，編寫自己的應用程序，配置編譯后就可下載到開發板Flash中。

三、嵌入式網絡節點的硬件電路設計

1、節點構成

系統核心控制器件是32位RISC處理器S3C44B0X。具有豐富的片上外設，有可選擇的8KBCache，內部SRAM、LCD控 制 器、2通 道UART、4通道DMA、系統管理器、5通道帶PWM 的定時器、I/O口、8通道10位ADC和PLL倍頻器。S3C44B0X通過提供全面的、通用的片上外設，大大減少了系統中除處理器以外的元器件配置，從而最小化系統的成本，并提高了系統的可靠性[3]。嵌入式工業控制系統節點的硬件設計組成如圖1所示。

系統使用了4MB 的Flash只讀存儲器，8MB的DRAM。嵌入式操作系統、應用程序的代碼和文件系統存儲在Flash中，用RTL8019AS以太網控制器為嵌入式控制器擴展了一個以太網端口。由于在系統運行時需要存儲一些可配置信息，如本地IP地址、服務器IP地址、數據采集計劃和決策、運行方式等，使用了串行E2PROM存儲各種配置信息。S3C44B0X自身具有10位A/D 轉換器、PWM信號輸出和多個I/O口，故對工業現場的各種設備進行數據采集和監控時，只要將相應的傳感器信號接入控制器的端口即可。

2、人機界面

系統配備了鍵盤和LED接口，具有良好的人機界面。采用zlg7289A芯片通過串行方式與微處理器S3C44BOX進行通訊實現鍵盤掃描和LED的顯示，接線如圖2所示[4]。

ZLG7289A具有SPI 串行接口功能的可同時驅動8位共陰式數碼管或64只獨立LED的智能顯示驅動芯片，該芯片同時還可連接多達64 鍵的鍵盤矩陣,單片即可完成LED 顯示、鍵盤接口的全部功能。圖中將S3C44BOX的EINT7與ZLG7289A的KEY鏈接，利用外部中斷方式判斷有無鍵按下；D19-D20分別作為數據傳輸、時鐘和片選輸入與ZLG7289A連接；SEG0-SEG7作為LED段控制，DIG0-DIG7為位控制，同時還可以作為鍵盤矩陣。

S3C44BOX內有兩個串口控制器(UART)，利用它在本系統中實現一個RS-232接口，既可作為系統開發時的串口調試之用，也可以作為產品的擴展通信接口。采用的電平轉化芯片是MAX232，把3.3V的邏輯電平轉換為RS232邏輯電平，進行傳輸。

3、網絡接口

RTL8019AS是帶有即插即用功能的全雙工以太網控制器，在一塊芯片上集成了RTL8019內核和一個16KB的SDRAM存儲器。圖3用RTL8019AS、FB2022設計的以太網接口電路。

圖中74LV138是3-8譯碼器，FB2022是隔離變壓器。該電路使用外部中斷EXINT3，處理器的片選信號 nGCS1和 A16、A17、A18通過 74LV138 輸出為網卡的使能控制端。nOE 和nWE控制網卡的讀寫，nRESET 控制網卡的復位，FB2022起變壓濾波的作用，TPIN+、TPIN-為接收線，TPOUT+、TPOUT-為發送線，通過隔離變壓器與以太網接口RJ45連接，，通過標準帶RJ45插頭的雙絞線接入以太網，實現與主機進行接收和發送數據報等工作。

RTL8019AS工作于中斷方式下，當接收到數據時通過INTO輸出低電平信號發出中斷，處理器輸出片選信號和讀信號，選中以太網控制器，從RTL8019AS內部RAM讀取數據。

4、模數轉換

對于需要進行模擬量控制輸出的場合，采用外部D/A轉換器實現對執行器的控制信號，設計中選用10位TLV5617A數模轉換器實現，連接原理如圖4所示。

TLV5617A 是帶有靈活3線串行接口的雙10位電壓輸出數/模轉換器DAC串行接口，它可用含有4個控制位和10個數據位的串行16位字符串編程。通過S3C44B0X的I/O線對DAC7512寫轉換數據。引腳的下降沿開始將數據一位接一位（從最高有效位開始）轉移到在SCLK引腳的下降沿上的內部寄存器中，在16位數據傳送完或上升時，轉移寄存器的內容被移入目標鎖存DACA或DACB緩沖器中，這取決于數據字中的控制位。

四、系統軟件設計

1、軟件功能

嵌入式網絡節點的軟件模塊主要分為：網絡通信模塊、數據發送模塊、任務模塊、數據處理模塊、數據接收模塊和輔助功能模塊。

網絡通信模塊主要擔負與遠程計算機或上位機的通信功能，進行網卡芯片初始化，網絡協議棧的移植，完成數據上傳與接受。當有數據過來，通過本地DMA將數據從網線拷貝到網卡接收緩沖區，當緩沖區滿時，再通過遠程DMA將數據拷貝到內存供處理器處理。

數據處理模塊包括模擬節點數據采集算法，完成數據的預處理和分析功能。

數據接收模塊解析接受到的遠程主機的數據幀，調用各個模塊完成不同的功能。

任務模塊主要接受上位機來的監測任務，根據任務要求，對現場的各個通道的數據進行切換、監測和控制。由此，智能節點根據任務自主地完成對現場數據的監控。

輔助功能模塊完成智能節點的設置、歷史數據記錄、設置看門狗等輔助性功能。

2、網絡節點的工作模式

嵌入式智能節點流程如圖5。

采用被動模式和主動模式完成和上位機的通信及監控功能，兩種方式是交互進行的。系統上電后節點首先是處于被動工作模式下，處于查詢狀態，在與遠程主機完成確認之后，程序等待遠程計算機的指令。接收到指令后，判斷指令類型，轉入相應的子程序。

嵌入式智能節點主動工作模式下自主地實現本地節點任務中規定工作，例如接收人機接口輸入設定，采集現場數據，根據要求進行PID運算，通過與嵌入式控制器相連接的執行機構完成現場參數控制，數據記錄報警等。

五、總結

本文設計的嵌入式網絡節點已經在船舶柴油機氣缸冷卻水溫度控制中得到應用測試，完成了對冷卻水的溫度檢測、控制和遠程監控，具有良好性能和效果。所設計智能節點的控制器數據處理能力和速度得到較大提高,試驗測試冷卻水溫度的就地控制精度達到±0.2℃,精度較之原單片機系統提高一倍；采用TLV5617A數模轉換器能夠使控制參數輸出精度達到0.1%，調節閥機構動作更準確；所設計以太網口的數據吞吐能力較大，遠程傳送速度大大提升，遠程主機及時準確的接收到現場數據。由此可見采用網絡化的智能節點便于在大范圍內共享資源，形成豐富的數據庫，實現對各數據點的網絡化。嵌入式的應用增強了系統性穩定性、開放性、靈活性及便于軟件移植和升級等特點，在工業測控領域具有很好的發展潛力和應用前景。