嵌入式通用通信管理裝置的設計與研究

林永欽

摘 要：本文提出了一種基于嵌入式技術的通用通信管理裝置設計方案。整套方案中通過對嵌入式Linux操作系統以及嵌入式控制PC操作平臺的合理應用，面向外部提供以太網接口（1個）、標準串行工作接口（8個）、以及CAN現場總線接口（1個），可在各個領域計算機監控系統的各個通信環節中加以應用，具有良好的可靠性以及通用性，值得引起重視。

關鍵詞：嵌入式技術；通信管理裝置；設計

中圖分類號：TP368 文獻標識碼：A

0.引言

當前通信管理裝置為滿足功能需求，面向以太網、現場總線等提供了多種對外連接方式，軟件方面則多搭載多任務嵌入式系統實現對不同通信接口的獨立編程并支持信息的交互式連接。但由于此類通信管理裝置的運行必須在上位機安裝目標機的虛擬環境，導致內存占用巨大，加之組態調試功能的實現必須以虛擬環境為依托，因此也增加了現場運行人員的操作難度。所以，如何研究實現一種可適宜網絡以及現場總線技術發展方向，無須進行二次開發的通用型通信管理裝置已成為業內人士高度重視的一項課題。

1.嵌入式通用通信管理裝置基本原理

整套通用通信管理裝置主處理器選用工業級PC104嵌入式控制PC，系統軟件選用嵌入式Linux系統，面向外部提供以太網接口（1個）、標準串行工作接口（8個）、以及CAN現場總線接口（1個）。

系統CPU采用基于X86的CPU工作模塊，提供標準ISA總線，CPLD選型為EPM3256，共配置144個引腳以及256個宏單元，完全可滿足嵌入式設計的實際需求。在CPLD編譯碼處理基礎之上生成包括串口控制器、地址芯片以及CAN控制器等在內的片選信號。電源模塊選型為APC086-005A模塊，輸出參數為5VDC/4A，輸入參數為220VDC/AC。

2.嵌入式通用通信管理裝置硬件設計

在硬件設計方面，引入嵌入式技術背景下，通用通信管理裝置的硬件結構中主要體現以下技術：第一，整套通用通信管理裝置硬件結構內部選用PC104嵌入式控制PC裝置，該PC裝置結構高度集成，與IBM-PC/AT有良好兼容性，且功耗低、體積小，有良好的適應性。同時，通信通道選用相互獨立的電路設計以及中斷設計方案，運行性能安全可靠；第二，以嵌入式技術下的Linux操作系統作為通用通信管理裝置的軟件平臺，利用中央處理器在任務切換方面的功能優勢，可支持多任務環境下通用通信管理裝置的高效運行，具有良好的運算速度以及通信處理能力；第三，通用通信管理裝置以固態電子盤作為儲存介質，能夠避免硬盤轉動部件運行中存在的不可靠性，通過連接看門狗的方式，確保PC單機嵌入控制下具有良好的運行可靠性；第四，整套通用通信管理裝置所配備相關通信接口均支持獨立編程以及多種不同連接方式，能夠根據實際應用場景滿足不同功能需求。

3.嵌入式通用通信管理裝置軟件設計

整套通用通信管理裝置開發環境選用嵌入式Linux開發系統，系統操作平臺操作便捷穩定，內核小且多任務并存，具有確切應用優勢。同時，基于Linux的操作平臺還具有內核單一、源碼公開的特點，內核中封裝保存所有與系統相關的功能，且上述功能能夠根據系統裝置實際使用需求動態裝入或卸載。經減載后整套Linux操作平臺內核共包括以下幾個部分：第一是內存管理模塊，第二是進程管理模塊，第三是進程間通信模塊，第四是文件系統管理模塊，第五是網絡接口模塊。硬件層主要功能實現面向應用程序提供統一操作接口，同時以與硬件無關的高層抽象層直接控制硬件資源；解釋組件由文件系統類型以及網絡協議構成，主要目的是使內核了解如何與特定設備實現結構化數據交互處理；應用程序層則面向裝置提供實時性數據庫，根據不同物理接口提供相對應的交互函數以及數據庫存取函數，支持對串口通信驅動程序異常運行狀態的監督，支持驅動軟件以及整套通用通信管理裝置的重啟。在軟件設計方面，應重點關注以下幾個方面的問題：

3.1裝置軟件設計

整套通用通信裝置采用結構化思想完成軟件設計。基本思路是：首先完成通用通信裝置系統內部相關硬件模塊的驅動程序設計，在此基礎之上增加管理機構對周期性運動驅動程序處理與調度任務負責，最后完成應用程序設計即可。通信裝置內部軟件包括任務模塊程序、主程序、以及中斷程序。主程序中初始化應完成包括設置通信口、讀取源數據、設置通信存儲緩沖區以及中斷向量等工作任務；中斷程序初始化應完成子程序定時中斷、串口中斷子程序等工作任務；任務模塊程序初始化則應完成系統常規處理以及信息中斷處理等工作任務。主程序在循環過程中獲取通信管理裝置中各個模塊的數據信息，經集中處理后發送至相應緩沖區內，同時就SCADA以及RTU模塊接收數據緩沖區中的相關指令進行處理。

基于Windows的操作系統平臺支持下，軟件開發語言選用Visual C++語言，搭載該編程語言實現梯形圖編寫任務、同時，利用編譯程序構造工具生成與開發語言相對應的分析器，將分析器與VC開發環境相結合，編譯梯形圖源語言。

3.2在線調試模塊

通用通信管理裝置與PC單機的通信通過以太網接口連接方式實現，支持對各個串口規約腳本以及配置文件的下載。同時，通過控制各通信接口標準解釋進程的方式，間接支持對梯形圖的在線調試以及對通信接口的規約調試功能。

3.3跨平臺應用

對于將嵌入式系統應用于內部的通信管理裝置而言，為面向不同外部工作接口提供驅動軟件支持，多需要搭載上位機Windows操作系統安裝目標機虛擬環境以及開發語言包。在此基礎之上，根據待通信設備所對應的通信規約要求編輯驅動軟件源代碼，并經交叉編譯的方式生成目標機可執行代碼。但在應用層中，由于廠家生產標準不盡相同，在跨平臺應用中尚無具有通用性的規約或標準，因此研發人員必須在實際應用中根據廠家以及產品特點，對應不同軟件規約并完成源碼級的編譯以及下載操作。針對該問題，本研究中引入嵌入式技術支持通用通信管理裝置軟件的設計，在梯形圖基礎之上完成對用戶應用層通信規約的編程操作，搭載內嵌式技術實現對解釋執行梯形進程的程序，待通信設備驅動通過可視化梯形組態方式進行編輯，在此基礎之上生成二進制工作代碼，在目標機中完成對代碼的下載即可。

結語

本文上述分析中介紹了一種以嵌入式技術為核心的通用通信管理裝置設計方案，在嵌入式技術的應用下，可支持梯形圖進行規約編程，整套通用通信管理裝置具有靈活性高、操作方便、步驟簡單等優勢，完全可滿足通信管理裝置與相關功能設備數據交互通信功能的實現，也能夠支持相關設備與以太網以及現場總線的高效連接。嵌入式技術應用北京下，整套通用通信管理裝置以梯形圖作為開發語言環境，符合現行國際標準，可支持通信管理裝置的跨平臺應用，具有良好的推廣應用價值與發展潛力。

參考文獻

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