基于嵌入式LlnuX的工業(yè)控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

周濤，項嶸，李浩，徐文濤

（1.南京航空航天大學電子信息工程學院，江蘇南京211106；2.南京航空航天大學理學院，江蘇南京211100）

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基于嵌入式LlnuX的工業(yè)控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

周濤1，項嶸1，李浩1，徐文濤2

（1.南京航空航天大學電子信息工程學院，江蘇南京211106；2.南京航空航天大學理學院，江蘇南京211100）

摘要：針對傳統(tǒng)PLC工業(yè)控制器效率比較低，可靠性比較差的缺點，利用ARM9嵌入式開發(fā)平臺，結合嵌入式Ljnux的優(yōu)勢，研究并設計用于工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的智能監(jiān)測與控制系統(tǒng)。完成了工業(yè)控制器的硬件電路設計，并開發(fā)出基于嵌入式Ljnux的控制軟件。實際運行結果表明，該工業(yè)控制系統(tǒng)的整體性能良好，觸摸屏為用戶提供友善的人機交互界面，提高操作平臺的易用性，網(wǎng)絡攝像頭對工業(yè)環(huán)境進行集中監(jiān)控。本系統(tǒng)軟件具有兼容性強，高可擴展性和開發(fā)周期短的特點，極大的減小了控制系統(tǒng)的維護成本和難度，能夠滿足當今社會對工業(yè)自動化越來越高的要求。

關鍵詞：ARM微處理器；工業(yè)控制系統(tǒng)；Ljnux系統(tǒng)；網(wǎng)絡攝像頭；嵌入式系統(tǒng)

工業(yè)自動化控制在生產(chǎn)過程中發(fā)揮著重要作用，嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制領域中的典型應用為過程控制。過程控制首先通過監(jiān)測分析工業(yè)環(huán)境中各部分工作狀態(tài)，然后由控制系統(tǒng)發(fā)出指令進行針對性的實時控制［1］。

傳統(tǒng)工業(yè)控制手段主要采用可編程邏輯器件（Programmab1e Logjc Contro11er，PLC）技術，生產(chǎn)過程的復雜性使得PLC技術顯露出許多不足。首先，各種PLC開發(fā)工具軟件和硬件之間存在兼容性問題；其次，工業(yè)控制領域的人機接口軟件一般通過手工或委托第三方進行編寫，這種開發(fā)模式的缺點是所用的時間長，效率比較低，可靠性比較差；最后，傳統(tǒng)控制采用分布式控制手段，用戶需要到生產(chǎn)現(xiàn)場對設備進行點對點的數(shù)據(jù)采集或控制，從而降低了生產(chǎn)效率。針對這些問題，本文設計基于嵌入式Ljnux的工業(yè)控制系統(tǒng)，并開展實驗驗證。基于嵌入式Ljnux的工業(yè)控制系統(tǒng)具有成本低、功耗低、易開發(fā)和性能好等特點，能使開發(fā)者生產(chǎn)出相對于給定的功率預算而言的較佳性能工控系統(tǒng)［2］。

1　基于嵌入式的工業(yè)控制系統(tǒng)架構設計

以嵌入式技術為核心，實現(xiàn)通用工業(yè)控制系統(tǒng)，其基本目標是通過完成邏輯控制從而控制工業(yè)設備，通過工業(yè)控制系統(tǒng)與工業(yè)設備進行通信以及網(wǎng)絡攝像頭和溫度傳感器對工業(yè)環(huán)境進行監(jiān)測，從而達到監(jiān)測與控制各個設備結點的目的。本系統(tǒng)的設計不僅從硬件上考慮系統(tǒng)的可靠性、可擴展性以及系統(tǒng)成本等因素，還考慮軟件系統(tǒng)的易用性，實時性等因素。整個系統(tǒng)由工業(yè)控制器和工業(yè)控制軟件平臺組成。本系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結構圖

2　工業(yè)控制器硬件設計

本系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。為了保證系統(tǒng)功能的完整性，在以ARM9為核心的嵌入式平臺上擴展了存儲模塊、網(wǎng)絡攝像頭模塊、以太網(wǎng)通信模塊［4］、人機接口模塊以及溫度測量模塊。這些模塊的協(xié)同合作實現(xiàn)整個工業(yè)監(jiān)測和控制系統(tǒng)。其中，存儲系統(tǒng)包括了2片64 MB的SDRAM和一片64 MB的NAND F1ash，人機接口主要包括LCD和觸摸屏。

圖2　系統(tǒng)硬件結構圖

基于嵌入式Ljnux的工業(yè)控制系統(tǒng)的硬件設計是以搭載ARM9處理器的嵌入式平臺為核心，通過在外圍擴展功能模塊實現(xiàn)系統(tǒng)總體功能。S3C2440是三星公司生產(chǎn)的一種16/ 32位RISC結構微處理器芯片，具有先進的ARM920T內核，可提供一套通用的外設接口，無需再額外擴充外圍器件，其功耗低，簡單，方便，且全靜態(tài)設計，特別適合于要求穩(wěn)定性高、功耗低的嵌入式工業(yè)控制系統(tǒng)［3］。S3C2440還提供豐富的片上資源，集成LCD專用DMA的LCD控制器，3路UART，2路SPI，IIC總線接口，4路擁有外部請求引腳的DMA控制器。依靠核心芯片可以方便地在外圍添加人機接口模塊，網(wǎng)絡攝像頭模塊，以太網(wǎng)通信模塊，以滿足工業(yè)控制器的需求。

嵌入式工業(yè)控制系統(tǒng)底層溫度傳感器選用DS18B20作為數(shù)據(jù)采集裝置，實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的實時采集。DS18B20是Da11as公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器，具有體積小、適用電壓寬、經(jīng)濟靈活等特點。

3　工業(yè)控制器軟件設計

3.1系統(tǒng)軟件架構設計

整個控制器軟件包含Boot1oader引導程序，Ljnux操作系統(tǒng)，根文件系統(tǒng)以及應用程序。

圖3　系統(tǒng)軟件設計結構圖

采用Uboot開源項目作為Boot1oader，其作用為引導操作系統(tǒng)。Uboot支持多種架構的處理器，需要移植Uboot使之能夠整個軟件的單板［6］。它的具體工作是將Ljnux從NAND f1ash中復制到RAM中，傳遞啟動參數(shù)給Ljnux，最后調用Ljnux內核，直到Ljnux啟動成功。

Ljnux2.6內核對S3C24xx系列的ARM9處理器已經(jīng)完全支持。通過make menuconfjg配置Ljnux選項，選擇支持Smdk2440單板的Confjg配置使之支持單板，選擇UVC攝像頭的驅動支持，這樣所有滿足UVC標準的USB攝像頭就能夠被Ljnux系統(tǒng)自動識別。最后為內核打上yaffs的文件補丁，重新配置Ljnux內核，使之能夠支持yaffs文件系統(tǒng)。此外，我們編寫了基于Ljnux設備驅動框架的LCD，Touchscreen，DM9000網(wǎng)卡以及DS18B20的設備驅動程序，它們是整個軟件系統(tǒng)的核心。

采用Busybox制作根文件系統(tǒng)。首先使用交叉編譯器編譯Busybox，然后將編譯好的文件復制到我們創(chuàng)建的根文件系統(tǒng)文件夾中。增加/etc /dev/ /1jb等目錄，在/etc/目錄下構建基本的配置文件，復制動態(tài)鏈接庫到/1jb文件下，至此最簡單的Ljnux根文件系統(tǒng)構建完畢［7］。

應用軟件通過編寫相應的底層驅動程序，實現(xiàn)對各個硬件模塊的數(shù)據(jù)交互。本工業(yè)控制器系統(tǒng)實現(xiàn)了視頻數(shù)據(jù)采集、溫度檢測與報警以及工業(yè)設備狀態(tài)信息檢測與控制3個功能。

3.2系統(tǒng)主程序設計

系統(tǒng)主程序執(zhí)行過程如圖4所示，Ljnux系統(tǒng)啟動以后，執(zhí)行目錄/etc/jnjt.d下的腳本rcs，通過腳本命令打開MJPG-streamer程序，讓其在后臺運行。它以流的形式通過局域網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C監(jiān)控平臺。

圖4　軟件設計流程圖

系統(tǒng)啟動完成之后，工業(yè)控制軟件初始化所有的外圍設備，通過Ljnux系統(tǒng)提供的open系統(tǒng)調用打開我們所需的設備文件，例如DS18B20，串口，LED設備等，初始化Modbus工業(yè)總線庫，如果有設備打開不成功，或者函數(shù)庫初始化失敗，則在Qt應用程序界面上顯示相應的錯誤信息。

系統(tǒng)主程序由兩個線程構成，其作用分別是接收串口發(fā)來的信息和定時采集DS18B20溫度傳感器的數(shù)值。其中串口線程負責接收Modbus消息，比如控制器的啟動，停止，發(fā)脈沖，停止脈沖等消息，工業(yè)控制器一旦接收到這些消息，就完成相應的響應，在界面上顯示相關的信息。溫度采集線程定時地采集外界的溫度信息，如果采集到的溫度信息在正常的范圍之內，則不做任何處理，否則就通過蜂鳴器立馬報警，直到外界解除這種危險狀態(tài)。

工業(yè)控制設備以工業(yè)控制領域中常用的橫切機為例。創(chuàng)建線程完畢后，進入Qt應用程序的大循環(huán)中，應用程序可以接受觸摸屏的事件響應，使用Qt的信號與槽的消息相應機制，將工業(yè)控制器軟件界面上每一個按鈕，對應一個消息處理函數(shù)。例如：當用戶點擊”開始”按鈕時，“開始”按鈕對應的消息相應函數(shù)Start-Machjne（）就會被執(zhí)行，它通過Modbus總線發(fā)送“開始”命令，啟動連接的其他工業(yè)設備，這些工業(yè)設備接收到命令后就開始工作。其它的工業(yè)設備類似，本工業(yè)控制系統(tǒng)可以針對不用功能的工業(yè)設備，在線程中創(chuàng)建不同功能按鈕，具備非常強的拓展性，便于二次開發(fā)。

為了使得整個工業(yè)系統(tǒng)的監(jiān)控功能更加強大完善，方便用戶對自己的工業(yè)環(huán)境進行檢測，開發(fā)了一款基于安卓的APP應用，它可以獲取攝像頭的視頻數(shù)據(jù)，并在手機上顯示。

4　系統(tǒng)測試

設計完成后進行了一系列的測試驗證預期的設計目標：

1）網(wǎng)絡視頻監(jiān)控測試［9］。測試將USB攝像頭通過USB接口連接到ARM開發(fā)核心板上，PC端和手機移動客戶端可以通過連入無線路由器實現(xiàn)視頻信息的獲取，實現(xiàn)了對工業(yè)環(huán)境遠程監(jiān)控，同步性能良好，畫面實時性好，可辨度高，能夠真實的反映復雜的工業(yè)環(huán)境。

2）觸摸屏對工業(yè)環(huán)境溫度的檢測與橫切機的控制。通過良好的人機界面，可以在界面中讀出車間的溫度與橫切機的狀態(tài)，并且通過觸摸屏的操作實現(xiàn)對橫切機的控制，實現(xiàn)簡便的宏觀控制，界面清晰易懂，操作簡便［10］。

測試表明，本系統(tǒng)成功地完成預期功能，視頻監(jiān)控的清晰度和實時性都很理想，通過網(wǎng)絡通信，成功的完成PC端與手機移動端的同步；通過友好的人機界面實現(xiàn)了對工業(yè)環(huán)境的檢測與控制。測試結果如圖5、圖6所示。

圖5　視頻監(jiān)控畫面（手機客戶端）

圖6　觸摸屏界面

5　結束語

本文介紹了采用嵌入式Ljnux實現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括工業(yè)環(huán)境監(jiān)測與控制2部分。觸摸屏作為用戶進行現(xiàn)場控制的操作平臺，提供友好的人際交互。手機客戶端軟件可以使用戶實現(xiàn)對現(xiàn)場工業(yè)環(huán)境的遠程監(jiān)控。在本工業(yè)控制系統(tǒng)中，以ARM9為核心，拓展了網(wǎng)絡攝像頭模塊，以太網(wǎng)通信模塊，人機接口模塊以及溫度測量模塊，保證了系統(tǒng)功能的完整性，體現(xiàn)了嵌入式Ljnux在工控環(huán)境中應用的優(yōu)越性，為工業(yè)生產(chǎn)過程自動化，智能化，模塊化提供了一個新的實現(xiàn)方法。

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Deslgn and lmPlementatlon of lndustrlal control system based on embedded LlnuX

ZHOU Tao1，XIANG Rong1，LI Hao1，XU Wen-tao2
（1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Electronics and Information Engineering，Nanjing 211106，China；2.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，College of Science，Nanjing 211100，China）

Abstract:Ajmjng at the re1atjve1y 1ow effjcjency and poor re1jabj1jty of the tradjtjona1 PLC jndustrja1 contro11ers，jnte11jgent monjtorjng and contro1 system for jndustrja1 envjronments js studjed and desjgned jn thjs paper. It js based on ARM9 embedded deve1opment p1atform，and takes the advantages of embedded Ljnux. The hardware desjgn of jndustrja1 contro11ers and Ljnux-based embedded contro1 software js descrjbed. Actua1 operatjng resu1ts showed a good overa11 performance of the jndustrja1 contro1 system. The touch screen can provjde users wjth a frjend1y jnteractjve jnterface，jmprovjng the user experjence. The webcam can provjde centra1jzed monjtorjng of jndustrja1 envjronment. The system software has advantages of compatjbj1jty，hjgh sca1abj1jty and features short deve1opment cyc1e，great1y reducjng the cost and djffjcu1ty of majntajnjng contro1 systems，bejng ab1e to meet today's jncreasjng demands of jndustrja1 automatjon.

Key words:ARM mjcroprocessor；jndustrja1 contro1 systems；Ljnux systems；webcam；embedded systems

中圖分類號：TN7

文獻標識碼：A

文章編號：1674-6236（2016）07-0023-03

收稿日期：2015-05-22稿件編號：201505206

作者簡介：周濤（1994—），男，湖南衡陽人。研究方向：信號與信息處理，嵌入式系統(tǒng)。