基于嵌入式Linux的风力发电监控系统开发平台的构建

基于嵌入式风力发电机组控制器研究与开发文丽，（）0引言为了适应不同的应用场合，同时考虑到计算机系统的灵活性、可伸缩性以及可裁剪性，一种以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪的嵌入式操作系统随之诞生。这种嵌入式系统能适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗要求严格的应用系统。而在众多嵌入式操作系统中，Linux以其体积小、可裁减、运行速度快、网络性能优良、源码公开等优点而被广泛采用。特别是2.6内核版本的Linux更是在实时性能方面有了很大的提高，因此在工业控制场合得到了越来越多的重视和应用。本文正是在这一背景下，为基于S3C2410的嵌入式平台(扩充了多种外围设备，包括：LCD、A／D、网络芯片等等)构建出一个基于Linux2.6.16内核的嵌入式系统开发平台，以满足风力发电监控系统开发的需求。1系统构架本系统的硬件平台是以32位高性能嵌入式处理器S3C2410A作为系统的CPU，其工作频率最高为203MHz，具有强大的处理能力。另外，还扩展有多种外围设备，如：分辨率为640×480的26万色TFT液晶显示屏、串口、USB口、网口、64MBFlash、64MBSDRAM等等。可以充分满足风力发电监控系统开发的需求。本硬件平台的软件构架主要分为以下几个部分：BSP层、操作系统层以及应用层，图1所示是其软件构架图。本系统的硬件平台是由嵌入式微处理器及其外围设备所构成的。硬件抽象层(BSP)是存储在硬件平台ROM或Flash上的负责与硬件底层交流的硬件驱动程序，主要负责对系统进行初始化，并将收集的硬件信息传递到接下来运行的操作系统内核中去。操作系统内核通过BSP来管理系统硬件资源，并为上层软件提供进程调度、内存管理、文件系统、设备驱动等服务。应用层主要负责与用户进行交流。在完成系统的构架设计以后，就可以针对硬件平台进行具体的构建了，其工作主要包括以下几个部分：BootLoader移植、内核移植以及文件系统的建立等，其中内核移植包括网络设备、LCD和USB等驱动的移植。文中针对本系统的设计给出了相关程序的移植。2BootLoader移植BootLoader(引导加载程序)是系统加电后运行的第一段代码。这段小程序用于初始化硬件设备和建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。目前，较流行的BootLoader主要有U-boot和Vivi等。本设计主要是以S3C2410为控制器的硬件平台，因此可以选用带有网络功能的Vivi作为系统的BootLoader。作为引导程序的Vivi一般分为stage1和stage2两大部分。stage1主要是根据CPU的体系结构进行设备初始化等工作，通常都用短小精悍的汇编语言来实现，而stage2则通常用C语言来实现，这样可以实现更加复杂的功能，且代码会具有更好的可读性和可移植性。为了使Vivi更适合本系统的硬件平台，设计时需要对其进行部分修改。(1)修改编译器首先要把Vivi中Makefile的有关编译的选项指向安装好的3.4.1版本的交叉编译工具链，将编译所需的Linux文件夹“UNUX-INCLUDE-DIR=”指向交叉编译器所在的文件夹“LINUX-INCLUDE-DIR=／usr／local／arm／3.4.1／include”，并将“CROSS-COMPILE=”项修改为“CROSS-COMPILE=／usr／local／arm／3.4.1／bin／arm-linux-”。(2)修改启动参数接着根据硬件平台的实际情况要修改Vivi中Flash分块情况。本系统将Flash划分成四个部分：第一部分用来存放系统的Vivi：第二部分用来存放Vivi以及Linux操作系统的启动参数；第三部分用来存放嵌入式Linux操作系统；最后一部分用来存放文件系统。具体的地址及块大小分配如表1所列。修改完以上两项就可以对Vivi进行编译了，之后通过JTAG将生成的二进制代码烧写到Flash的第一部分，即完成了Vivi的移植。3内核移植内核移植和BootLoader移植一样要根据设计的硬件平台来进行。根据本嵌入式系统硬件平台的设计，需修改内核Makefile文件、设置Flash分区、配置与编译内核等，并完成网络设备、LCD以及USB等驱动的移植，下面简单介绍一下针对本硬件平台的相关移植工作。(1)内核编译与移植在交叉编译内核之前，要先对编译选项进行配置。执行“makemenuconfig”指令，进人SyetemType选项，选择对S3C2410系统板的支持，然后配置FileSystem和Blockdevice，接下来使用“makedep”指令设置依赖关系，之后便可以使用“makezImage”指令进行编译。编译内核交叉编译时间相对较长。最终会生成一个文件zImage，这就是编译成功后的ARMLinux内核文件。将编译好的内核镜像文件写入到Flash中，即完成了内核的移植。(2)网络设备移植系统中采用CS8900A作为网络芯片，最高支持10Mb／s的传输率，它使用S3C2410的nGCS3作为片选线，IRQ_EINT9作为外部中断信号线。其驱动移植方法如下：1)在linux／driver／net／arm目录下加入芯片的驱动程序文件cs8900．h和cs8900．c：2)在SMDk2410_init函数中完成相应寄存器设置；在cs8900_probe()函数中对S3C2410的网络控制寄存器进行设置：加入_raw_writel(0x221ldll0,S3C2410_BWSCON)；和_raw_writel(0x1f7c,S3C2410_BANKCON3)；两个语句；3)将网卡的物理地址(0x19000000)映射到vSMDK2410_ETH_IO所指向的虚拟地址上去，即在／arch／arm／mach-s3c2410／mach-smdk2410．c文件中的smdk2410_iodesc[]结构数组中添加如下内容：{vSMDK2410_ETH_IO，0x19000000，SZ_1M，MTl_DEVICE}；4)配置网络设备驱动的Makefile、Kconfig文件，并对头文件做部分修改。(3)LCD移植在2.6.16内核中已经包含了S3C2410的LCD驱动程序，因此，移植的主要工作是要根据驱动程序及LCD屏的实际情况进行初始化。S3C2410自带5个LCD控制器，每个控制器有不同的功能，必需对每个控制器的参数进行相应的设置才能顺利地启动LCD，这些参数包括：液晶屏类型(TFT屏或CSTN屏)、颜色位数、垂直度、水平度、控制信号线的极性以及液晶屏的分辨率等等。本系统采用的是SHARP8.0英寸的TFT液晶屏。参考该液晶屏手册，根据实际情况设置各个寄存器的参数如表2所列。设置好液晶屏的参数后，再在平台初始化函数smdk2410_devices[]_initdata中启动液晶屏。最后，修改drivers／video目录下的Kconfig和drivers／video目录下的Makefile文件。4文件系统建立每种操作系统都有适合自己的文件系统，如：Windows一般采用FAT32或NTFS文件系统格式，Linux采用EXT2或EXT3文件系统格式，而嵌入式Linux操作系统是建立在一种称为YAFFS2(YAFF文件系统的改进版)的针对嵌入式Linux的文件系统之上。因此可根据本系统的硬件平台设计及所采用的Linux内核。构建出YAfTS2文件系统，步骤如下：(1)在内核中建立YAFFS2目录fs／yaffs2，并把下载的YAFFS2代码(可以从网上下载开源的YAFFS2的源码)复制到该目录下面；(2)修改Kconfig和Makefile，使其可以配置YAFFS2；(3)在YAFFS2目录中生成Makefile和Kconfig文件；(4)根据表1在内核中修改NAND分区；(5)配置内核时，应选中MTD支持和YAFFS2支持；(6)编译内核并将其下载到开发板的Flash中；(7)制作根文件系统下载到Flash的指定地址(地址如表1所示)。至此，就搭建好了风力发电监控系统开发所需要的软硬件平台。图2所示是基于搭建好的平台并使用Qt／Embeded开发的风力发电监控系统的截图。5结束语本文根据一个特定的目标平台，介绍了如何构建基于Linux2.6.16的嵌入式开发平台，介绍了移植的主要技术和整个流程，并在Qt／Embedd下开发了风力发电监控软件。掌握这些移植和开发技术，对于开发嵌入式Linux应用系统十分重要，同时对于开发其它类型的嵌入式系统也具有一定的参考意义。什么是软PLC和硬PLC作者：Free文章来源：Free点击数：530更新时间：2011-3-31PLC的实现分为硬PLC和软PLC。所谓硬PLC从严格意义上来说是由硬件或者一块专用的ASIC芯片来实现PLC指令的执行．而软PLC是用一些通用的CPU或者MCU来实现PLC指令的解释或者编译持行。软件PLC（SoftPLC，也称为软逻辑SoftLogic）是一种基于基于PC机开发结构的控制系统，它具有硬PLC在功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特点，利用软件技术可以将标准的工业PC转换成全功能的PLC过程控制器。软件PLC综合了计算机和PLC的开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理、网络通信、PID调节等功能，通过一个多任务控制内核，提供强大的指令集、快速而准确的扫描周期、可靠的操作和可连接各种I/O系统的及网络的开放式结构。所以，软件PLC提供了与硬PLC同样的功能，同时又提供了PC环境的各种优点。使用软件PLC代替硬件PLC有如下的优势：用户可以自由选择PLC硬件用户可以获得PC领域技术/价格优势，而不受某个硬PLC制造商本身专利技术的限制用户可以少花钱但又很方便地与强有力的PC网络相连用户可以用他熟悉的编程语言编制程序对超过几百点I/O的PLC系统来说，用户可以节省投资费用软件PLC技术的形成背景20世纪90年代后期，人们逐渐认识到，传统PLC（本文简称硬PLC）自身存在着这样那样的缺点：难以构建开放的硬件体系结构；工作人员必须经过较长时间的专业培训才能掌握某一种产品的编程方法；传统PLC的生产被几家厂商所垄断，造成PLC的性价比增长很缓慢。这些问题都成了制约传统PLC发展的因素。近年来，随着计算机技术的迅猛发展以及PLC方面国际标准的制定，一项打破传统PLC局限性的新兴技术发展起来了，这就是软PLC技术。其特征是：在保留PLC功能的前提下，采用面向现场总线网络的体系结构，采用放的通信接口，如以太网、高速串口等；采用各种相关的国际工业标准和一系列的事实上的标准；全部用软件来实现传统PLC的功能。系统结构和应用特点（一）系统结构软PLC基于PC机，建立在一定操作系统平台之上，通过软件方法实现传统PLC的计算、控制、存储以及编程等功能，通过IO模块以及现场总线等物理设备完成现场数据的采集以及信号的输出。根据传统PLC的组成结构，软PLC系统由开发系统和运行系统两部分组成。也可分为编辑环境和运行环境两部分。编辑环境与运行环境是客户服务器模式，二者之间采用COMDCOM通信机制，运行环境作为COM服务器，提供标准的通信接口；编辑环境作为COM客户端应用，本地或远程访问存取这些接口，进行下载代码、读取运行环境的运行信息等操作。软PLC系统的整体框图如图1所示。图1软PLC系统的整体框图嵌入式系统通常由EPC或嵌入式控制器（也称智能控制器）和嵌入式软件组成，嵌入式软件又分为嵌入式操作系统和嵌入式应用程序，嵌入式操作系统的特点是程序短小、所需内存少，Mi-crosoft公司推出的WindowsCE就是一个嵌入式操作系统，而软PLC可以作为一个嵌入式应用程序运行在嵌入式系统中。软PLC开发系统和运行系统是相互独立而又密不可分的两个应用程序，可以分别单独运行。1．软PLC开发系统软PLC开发系统实际上就是带有调试和编译功能的PLC编程器，此部分具备如下功能：①编程语言标准化，遵循IEC61131-3标准，支