uClinux的網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計理念

1 引 言

隨著計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，應(yīng)用多傳感器的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的遠(yuǎn)程測量和多象的遠(yuǎn)程控制成為計算機(jī)控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。它能大幅縮小生產(chǎn)周期,節(jié)約勞動力成本,提高企業(yè)效益,對于市場競爭日益激烈的今天來說具有重要意義。本文結(jié)合快速發(fā)展的嵌入式技術(shù),給出了一種基于嵌入式網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。它采用uClinux操作系統(tǒng),內(nèi)嵌嵌入式Web服務(wù)器,通過CAN總線連接多個傳感器控制單元實(shí)現(xiàn)了對多對象的遠(yuǎn)程測量和控制。

2 網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)概述

嵌入式系統(tǒng)是嵌入到對象體系中,以應(yīng)用為中心,軟硬件可裁減,對體積、功耗、成本都有嚴(yán)格要求的計算機(jī)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的單片機(jī)相比,它重要的突破之一就是解決了設(shè)備和internet的互連問題,使得人們可以通過現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施對網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點(diǎn)的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控。近年來,嵌入式技術(shù)飛速發(fā)展,種類繁多、功能強(qiáng)大的CPU和片外連接, 為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供了穩(wěn)定、可靠的硬件環(huán)境;嵌入式操作系統(tǒng)對這些硬件和以太網(wǎng)也又很好的支持,操作系統(tǒng)的移植大為化簡,這些就為嵌入式webserver的實(shí)現(xiàn)提供了方便。嵌入式webserver將監(jiān)控系統(tǒng)中的各種協(xié)議的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的TCP/IP協(xié)議格式,以便用戶通過以太網(wǎng)遠(yuǎn)程訪問 webserver,實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的監(jiān)控。

本文介紹的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)器結(jié)構(gòu)模式，它由客戶端主機(jī)、現(xiàn)場嵌入WebServer和底層傳感控制單元三層的體系結(jié)構(gòu)組成。最底層為傳感控制單元，負(fù)責(zé)從現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)并執(zhí)行控制指令。第二層為現(xiàn)場WebServer構(gòu)成，WebServer 具有Internet功能，可通過網(wǎng)絡(luò)通信線纜直接與Internet連接。它的主要功能是將傳感控制單元上傳來的數(shù)據(jù)以網(wǎng)絡(luò)服務(wù)形式實(shí)時發(fā)布，發(fā)布的信息可以被第三層的客戶端主機(jī)接收?？蛻舳酥鳈C(jī)為普通的PC機(jī)，用戶在客戶端主機(jī)上通過Web瀏覽器遠(yuǎn)程訪問嵌入式WebServer主頁并向底層的傳感控制單元發(fā)出各種控制指令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)、監(jiān)視和控制等功能。在這三層的結(jié)構(gòu)中，

嵌入式webServer是系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示:

圖 1

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

嵌入式Webserver以高性能微處理器為核心，其上可以運(yùn)行uClinux操作系統(tǒng)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的要求,選擇 Samsung公司ARM7TDMI內(nèi)核的微處理器S3C44BOX。S3C44BOX是一款具有豐富的片上外設(shè)的高性價比嵌入式處理器，如：擴(kuò)展內(nèi)存控制器;帶專用DMA通道的LCD控制器;2個DMA通道，1個帶外部請求引腳的DMA通道;I2C總線控制器;5個PWM定時器及1個內(nèi)部定時器; 8個外部中斷源;5個PWM定時器及1個內(nèi)部定時器;帶PLL的時鐘發(fā)生器等等。其高集成度極大地簡化了其應(yīng)用系統(tǒng)硬件設(shè)計，軟件設(shè)計過程也大為縮短，并提高了系統(tǒng)的可靠性。為運(yùn)行uClinux提供硬件上的支持，存儲系統(tǒng)采用了2MB Flash(AM29LV160DB，AMD)和2片8MB SDRAM(57V651620B，HYUNDAI)。Flash用來存儲啟動代碼和壓縮的linux內(nèi)核;SDRAM作為系統(tǒng)內(nèi)存使用。系統(tǒng)采用 SJA1000T和TJA1040T為S3C44BOX擴(kuò)展一個CAN總線接口，使之可以通過CAN總線與各傳感控制單元連接起來。以太網(wǎng)控制器芯片選用是RTL8019AS。RTL8019AS是Realtek公司生產(chǎn)的一款具有高性價比的、即插即用的全雙工以太網(wǎng)控制器。它內(nèi)部集成有RAM,用作收發(fā)緩沖,降低了對處理器速度的要求。整個硬件系統(tǒng)如圖2所示。

圖 2

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4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

4.1 uClinux操作系統(tǒng)的移植

由于嵌入式websever硬件資源有限，在此平臺上只能運(yùn)行一個小型的操作系統(tǒng)?？紤]到硬件的特點(diǎn)和對系統(tǒng)的功能要求等因素，我們選擇了一款目前比較成熟的uClinux操作系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了嵌入式webserver。uClinux從標(biāo)準(zhǔn)的Linux 內(nèi)核派生而來，通過對內(nèi)存管理和進(jìn)程管理等相關(guān)方面進(jìn)行改寫，滿足無MMU處理器的開發(fā)要求。它繼承了Linux穩(wěn)定而優(yōu)良的性能,同時通過個性化的內(nèi)核定制,能夠更好的滿足嵌入式應(yīng)用的多樣化需要,提供豐富的應(yīng)用軟件支持。

為了使uClinux能運(yùn)行于硬件平臺,必須對uClinux進(jìn)行移植。uClinux的移植可以修改內(nèi)核中相關(guān)文件來實(shí)現(xiàn)。要修改的文件很多,不能一一介紹,主要有以下幾處: (1)linux/arch/mach-S3C44B0X目錄下處理器結(jié)構(gòu)的,如:arch.c、irq.c等。arch.c指定了系統(tǒng)啟動時用到的地址，按照硬件設(shè)計的不同，地址將有所不同;irq.c是與中斷處理相關(guān)的程序。由于linux所支持體系結(jié)構(gòu)的種類繁多，所以對一個新型的體系，其低級例程可以模仿與其相似的體系例程編寫,在這里可以從mach-S3C4510目錄下的文件修改得到。(2)include/asm-armnommu /arch-S3C44B0X下相關(guān)文件,如:dma.h、hardware.h、irq.h、system.h、time.h等。dma.h這條文件定義了DMA通道,以及DMA可以使用的內(nèi)存空間。hardware.h件定義了內(nèi)存地址和10地址,根據(jù)設(shè)計的硬件電路不同而不同。irq.h中定義了 fixup_irq()、irq_init_irq()等函數(shù)。system.h在該文件中需要定義兩個函數(shù):arch-idle()和arch- reset()。time.h實(shí)現(xiàn)了定時器中斷處理s3c44b0x_timer_interrupt()和相關(guān)函數(shù)。(3)各級相關(guān)makefile。在交叉編譯環(huán)境下編譯內(nèi)核,當(dāng)編譯結(jié)束時會生成內(nèi)核的鏡像文件image.rom,將其和bootloader一起燒寫在板子的Flash中,重新加電通過串口可以觀測到內(nèi)核的啟動信息,證明系統(tǒng)移植成功。

4.2 守護(hù)進(jìn)程的實(shí)現(xiàn)

uClinux移植完成后就可以在此平臺上進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)了。系統(tǒng)開發(fā)的主要功能要求是使系統(tǒng)響應(yīng)遠(yuǎn)程客戶機(jī)的請求,完成特定的操作,同時能夠自動的將本地的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程客戶機(jī)上。根據(jù)這一要求,必須對在服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)一個守護(hù)進(jìn)程。該程序在uClinux下用C語言編寫,當(dāng)uClinux操作系統(tǒng)啟動后會自動運(yùn)行,流程圖如圖3所示。

圖 3

4.3 嵌入式Webserver的實(shí)現(xiàn)

考慮到硬件資源的限制,這里我們選擇uClinux下的boa服務(wù)器。Boa是一款單任務(wù)的HTTP服務(wù)器,它通過建立HTTP請求列表來處理多路連接請求,而且它只為CGI程序創(chuàng)建新的進(jìn)程,這樣就節(jié)省了大量的系統(tǒng)資源, 因此，Boa具有很高的HTTP請求處理速度和效率，在嵌入式系統(tǒng)中具有很高的應(yīng)用價值。要在uClinux上運(yùn)行boa需要對uClinux進(jìn)行修改, 在user/Makefile,加入dir_$(CONFIG_USER_BOA_SRC_BOA) += boa;在config/config.in中加入

comment "Network Applications"

bool "boa" CONFIG_USER_BOA_SRC_BOA

在uClinux-dist/vendors/Samsung/44b0/rc中加入一行ifconfig eth0 202.117.0.2 up，再增加一行腳本命令boa &，把Default.html定義為遠(yuǎn)程客戶瀏覽的控制頁面，放在/uClinux-dist/romfs下面[3]。最后,在進(jìn)行內(nèi)核配置時make Menuconfig時選中boa ,重新編譯內(nèi)核,將最終生成的文件燒寫進(jìn)Flash中即可。

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4.4 客戶端軟件實(shí)現(xiàn)

用戶端使用了Java語言編寫的應(yīng)用程序?yàn)g覽該嵌入式Webserver上的html信息，并完成數(shù)據(jù)處理和相應(yīng)的控制功能。主要包括:產(chǎn)生發(fā)送至Webserver的指令流,顯示從Webserver返回的數(shù)據(jù);當(dāng)命令執(zhí)行過程中所要執(zhí)行的信息的提示;對返回數(shù)據(jù)的簡單處理等等。

5 結(jié)束語

本文作者創(chuàng)新點(diǎn):本文克服單片機(jī)在組建大型網(wǎng)絡(luò)方面的局限,提出了基于uClinux的網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的諸多優(yōu)點(diǎn)以及CAN總線網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)控制方面的廣泛應(yīng)用, 實(shí)現(xiàn)了兩種網(wǎng)絡(luò)的無縫互連, 并在這種連接的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對機(jī)電設(shè)備的遠(yuǎn)程集中監(jiān)測和控制。該監(jiān)控系統(tǒng)具體積小、性能可靠、組網(wǎng)方便靈活等優(yōu)點(diǎn), 它能夠大幅提高企業(yè)的自動化和信息化水平,有著廣闊的應(yīng)用前景。