1 引 言

隨著計算機技術和網絡技術的迅速發(fā)展，應用多傳感器的控制系統(tǒng)實現(xiàn)多參數(shù)的遠程測量和多象的遠程控制成為計算機控制領域的研究熱點之一。它能大幅縮小生產周期,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。本文結合快速發(fā)展的嵌入式技術,給出了一種基于嵌入式網絡化遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。它采用uClinux操作系統(tǒng),內嵌嵌入式Web服務器,通過CAN總線連接多個傳感器控制單元實現(xiàn)了對多對象的遠程測量和控制。

2 網絡化監(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,以應用為中心,軟硬件可裁減,對體積、功耗、成本都有嚴格要求的計算機系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的單片機相比,它重要的突破之一就是解決了設備和internet的互連問題,使得人們可以通過現(xiàn)有的網絡設施對網絡中各個節(jié)點的設備進行遠程實時監(jiān)控。近年來,嵌入式技術飛速發(fā)展,種類繁多、功能強大的CPU和片外連接, 為網絡應用提供了穩(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)轉換成統(tǒng)一的TCP/IP協(xié)議格式,以便用戶通過以太網遠程訪問 webserver,實現(xiàn)對設備的監(jiān)控。

本文介紹的嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)采用客戶端/服務器結構模式，它由客戶端主機、現(xiàn)場嵌入WebServer和底層傳感控制單元三層的體系結構組成。最底層為傳感控制單元，負責從現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)并執(zhí)行控制指令。第二層為現(xiàn)場WebServer構成，WebServer 具有Internet功能，可通過網絡通信線纜直接與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)以網絡服務形式實時發(fā)布，發(fā)布的信息可以被第三層的客戶端主機接收。客戶端主機為普通的PC機，用戶在客戶端主機上通過Web瀏覽器遠程訪問嵌入式WebServer主頁并向底層的傳感控制單元發(fā)出各種控制指令，進而實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)、監(jiān)視和控制等功能。在這三層的結構中，

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)的硬件設計

嵌入式Webserver以高性能微處理器為核心，其上可以運行uClinux操作系統(tǒng)。根據(jù)網絡服務的要求,選擇 Samsung公司ARM7TDMI內核的微處理器S3C44BOX。S3C44BOX是一款具有豐富的片上外設的高性價比嵌入式處理器，如：擴展內存控制器;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個內部定時器; 8個外部中斷源;5個PWM定時器及1個內部定時器;帶PLL的時鐘發(fā)生器等等。其高集成度極大地簡化了其應用系統(tǒng)硬件設計，軟件設計過程也大為縮短，并提高了系統(tǒng)的可靠性。為運行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內核;SDRAM作為系統(tǒng)內存使用。系統(tǒng)采用 SJA1000T和TJA1040T為S3C44BOX擴展一個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。以太網控制器芯片選用是RTL8019AS。RTL8019AS是Realtek公司生產的一款具有高性價比的、即插即用的全雙工以太網控制器。它內部集成有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

4 系統(tǒng)軟件的設計

4.1 uClinux操作系統(tǒng)的移植

由于嵌入式websever硬件資源有限，在此平臺上只能運行一個小型的操作系統(tǒng)?？紤]到硬件的特點和對系統(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)，并在此基礎上實現(xiàn)了嵌入式webserver。uClinux從標準的Linux 內核派生而來，通過對內存管理和進程管理等相關方面進行改寫，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核定制,能夠更好的滿足嵌入式應用的多樣化需要,提供豐富的應用軟件支持。

為了使uClinux能運行于硬件平臺,必須對uClinux進行移植。uClinux的移植可以修改內核中相關文件來實現(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目錄下處理器結構的,如:arch.c、irq.c等。arch.c指定了系統(tǒng)啟動時用到的地址，按照硬件設計的不同，地址將有所不同;irq.c是與中斷處理相關的程序。由于linux所支持體系結構的種類繁多，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可以使用的內存空間。hardware.h件定義了內存地址和10地址,根據(jù)設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實現(xiàn)了定時器中斷處理s3c44b0x_timer_interrupt()和相關函數(shù)。(3)各級相關makefile。在交叉編譯環(huán)境下編譯內核,當編譯結束時會生成內核的鏡像文件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核的啟動信息,證明系統(tǒng)移植成功。

4.2 守護進程的實現(xiàn)

uClinux移植完成后就可以在此平臺上進行應用程序開發(fā)了。系統(tǒng)開發(fā)的主要功能要求是使系統(tǒng)響應遠程客戶機的請求,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)傳送到遠程客戶機上。根據(jù)這一要求,必須對在服務器上實現(xiàn)一個守護進程。該程序在uClinux下用C語言編寫,當uClinux操作系統(tǒng)啟動后會自動運行,流程圖如圖3所示。

圖 3

4.3 嵌入式Webserver的實現(xiàn)

考慮到硬件資源的限制,這里我們選擇uClinux下的boa服務器。Boa是一款單任務的HTTP服務器,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)中具有很高的應用價值。要在uClinux上運行boa需要對uClinux進行修改, 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定義為遠程客戶瀏覽的控制頁面，放在/uClinux-dist/romfs下面[3]。最后,在進行內核配置時make Menuconfig時選中boa ,重新編譯內核,將最終生成的文件燒寫進Flash中即可。

4.4 客戶端軟件實現(xiàn)

用戶端使用了Java語言編寫的應用程序瀏覽該嵌入式Webserver上的html信息，并完成數(shù)據(jù)處理和相應的控制功能。主要包括:產生發(fā)送至Webserver的指令流,顯示從Webserver返回的數(shù)據(jù);當命令執(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 結束語

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