嵌入式Linux的注塑机控制系统解决方案

注塑机由模具锁模机构、高分子塑料在螺杆加热、液压射胶、保压成型等工序组成。精密注塑需要控制的参数多，对实时性能、控制精度、安全性、可靠性的要求较高。传统的控制系统虽然可以达到上述要求，但却存在着开发成本高、开发时间过长、扩展性差、软件升级困难、兼容性和可移植性差、网络功能有限等缺点。随着嵌入式Linux的应用，其控制系统的开发变得简单和容易。 　　 嵌入式Linux由一个Kernel（内核）及一些根据注塑机控制需要定制的模块组成。Kernel很小，一般只有几百KB，即使加上其他必需的模块和应用程序，所需的存储空间也很小。它有多任务、多进程的系统特征，另外还具有实时性。一个小型的嵌入式Linux系统只需要引导程序、Linux微内核、初始化进程3个基本元素。运行嵌入式Linux的CPU可以是x86、Alpha、Sparc、MIPS、PPC等。与这些芯片搭配的主板都很小，与一张PCI卡大小相当，有的甚至更小。嵌入式Linux所需的存储器不是软磁盘、硬盘、Zip盘、CD-ROM、DVD这些众所周知的常规存储器，它使用Rom、CompactFlash机和M-Systems的DiskOnChip、Sony的MemoryStick、IBM的MicroDrive等体积极小（与主板上的BIOS大小相近），存储容量不太大的存储器。它的内存可以使用普通的内存，也可以使用专用的RAM。正是这些优点，使得塑料成型控制系统的研究开发变得越来越容易和简单。 1 嵌入式Linux内核体系结构 　　 嵌入式Linux的内核体系结构如图1所示，内核职能有4点。 　　 ① 硬件抽象层（HAL）包含了所有和硬件平台相关的代码，如上下文切换和I/O寄存器访问等。它存在于嵌入式Linux的最底层，直接访问和控制硬件，对其上层的硬件提供访问和控制服务。这样，可以简化内核的移植工作，除了设备驱动程序之外，在移植的时候只须修改HAL的代码即可。 　　 ② 内核是用来为大多数程序乃至OS（网络、文件系统、驱动程序）构建一系列在抽象的文件上工作的抽象机，使用户程序及上层OS组件对系统设备透明。这个内核主要实现如下一些接口：多任务、中断、异常及定时器函数，标准C函数库，应用程序的动态加载/卸载等等。 　　 ③ 实时内核提供对事件优先级的调度和抢占支持，增加系统实时调度的能力。 　　 ④ 对应用程序提供的函数接口，专门为用户定制网络、图形、视频等接口。 　　 嵌入式Linux内核的实现为微内核的体系结构，如图1所示。使用微内核的体系结构，使得嵌入式Linux的体积很小，便于直接放在ROM中，实现ROM固化；同时，方便进行模块化的扩展。 2 硬件设计体系结构 　　 硬件体系结构如图2所示。 　　 图2中，微处理器选用Intel的X86芯片；Flash Memory/ROM和RAM采用我们开发的电子盘来实现（电子盘加载驱动程序后就可以取代硬盘，作用是引导和启动嵌入式Linux操作系统，实时内核和所有的应用程序都固化在这个电子盘上）；以太网接口用标准的网卡来实现；并口和串口都是采用标准的硬件芯片来实现，采用32位系统总线（可以根据需要改为其他的）；其他外设如液晶显示屏等，根据需要可以很方便地添加。 3 构造嵌入式Linux内核 　　 对构造嵌入式Linux内核框架须考虑下面几个元素： 　　 ① 引导Linux内核（采用BIOS引导特征标志55、AA代码）； 　　 ② Linux微内核由内存管理、进程管理和事务处理构成； 　　 ③ 初始化进程； 　　 ④ 硬件设备驱动程序（尽量利用现有标准化的设备驱动程序）； 　　 ⑤ 实时内核模块（从RTLinux来定制裁剪）； 　　 ⑥ 提供所需功能的应用程序（即控制程序、控制算法的计算机实现）； 　　 ⑦ 精简的TCP/IP网络协议栈（对标准TCP/IP网络协议栈进行裁剪定制得到）。 　　 实现的方法，是从标准的Linux系统资源，按照微内核(Kernel)的需求来减少，以适应诸如电子盘容量、内存容量、处理器速度以及节能限制来定制嵌入式Linux内核。系统实现步骤如下： 　　 ① 重新编译Linux内核，去掉内核中不需要的模块，诸如PCMCIA之类的外设支持模块等，加入自己编写的内核模块； 　　 ② 编写Boot Loader，制作电子盘用于加载嵌入式Linux内核到内存中； 　　 ③ 重新设计以太网驱动程序、串／并口驱动程序以及I/O卡驱动程序； 　　 ④ 设计嵌入式Linux应用程序，管理打印服务的应用。 4 实时内核的实现 　　 要将Linux应用到工业控制系统中，首先要解决的问题就是其实时性问题。 　　 本系统的实时内核是通过内核模块编程的方法来实现的。实现的途径，是参考美国新墨西哥州大学计算机科学系Victor Yodaiken和Michael Brananov开发的RTLinux，并在RTLinux的源代码基础上，结合POSIX.1b的实时扩展规范，对其定制成标准的Linux可加载/卸载的内核模块。这个模块主要提供一些必要的功能，如底层任务创建、中断服务程序，并且为底层任务、ISR和Linux进程之间进行通信排队。 　　 实时内核模块提供了实时任务的编程和控制接口（API）。通过使用这些API，可以提供对实时任务的创建和删除、任务调度和控制等功能，从而实现工业上的实时控制。 　　 实时内核提供的编程和控制接口（API）模块主要有： 　　 ① 中断控制API函数； 　　 ② 时钟控制和获取； 　　 ③ 线程的创建和删除以及线程优先级和调度策略的控制API函数； 　　 ④ POSIX方式的驱动接口； 　　 ⑤ FIFO设备驱动程序； 　　 ⑥ 串口驱动程序的API函数； 　　 ⑦ mbuff驱动API函数； 　　 ⑧ 浮点运算API函数。 　　 一些主要的任务处理函数：rt_task_init()用来创建并开始一个任务，能指定堆栈的大小和优先级；rt_task_make_periodic()以一定间隔周期性地设置任务运行；rt_task_wait()阻塞任务。实时任务与Linux进程之间通信的主要方法是FIFO：rtf_create()创建 一个一定大小的FIFO，用rtf_put()将数据送入FIFO，如果FIFO满，则返回一个错误。类似地，rtf_get()从FIFO中取出数据，如果FIFO空，则返回一个错误。线程管理：pthread_create（）创建一个线程，pthread_delete（）删除一个线程，并且释放该线程的所有资源，pthread_setschedparam（）设置一个线程的调度参数。时钟函数：clock_getres（）获得clock时钟的解析度，等等。 5 实验和程序调试方法 　　 实验装置采用486/586微机主板作为注塑机的硬件电路，用电子盘作为嵌入式操作系统的引导和启动设备，去掉硬盘、软盘和其他设备，TCP/IP接口用标准网卡来实现，调试程序的时候可以加上键盘和显示器，驱动信号从并口/串口输出（调试时）。 　　 以上方法，在标准Linux环境下，编写好电子盘的设备驱动程序和控制算法的计算机程序（外加I/O板时还需要I/O板的驱动程序），定制好嵌入式Linux内核和实时内核(为zImage)，并将电子盘（在Linux中是ram）Mount到/RamDisk上，在电子盘上制作引导和启动盘。具体制作方法如下： 　　 ① 修改LILO.CONF，使得系统可以直接从电子盘启动； 　　 ② 创建一个内核文件系统ext2：mke2fs -i 8192 -m 0 /dev/ram 50； 　　 ③ 在/RamDisk目录下，建立运行系统所必需的目录文件：bin dev etc lib mnt proc sbin tmp usr var，以及各个目录下必要的文件，特别是应用程序所需要的库文件； 　　 ④ 设置内核镜像文件中的ramdisk的偏移量，以指出如何确定定位根文件系统，可以通过命令rdev来设置； 　　 ⑤ 将内核文件放到RamDisk中： 　　 #dd if=zImage of=/dev/ram bs=1k 　　 ⑥ 加载根系统文件： 　　 #dd if=/tmp/ram_image.gz of=/dev/fd0 bs=1k seek=内核数据块数 　　 其中ram_image.gz压缩后的根系统文件，内核数据块数就是内核的大小。 　　 这样就做成了系统启动盘，可以去掉硬盘、软盘等部件，直接从电子盘来启动系统。在根文件系统中存放有RT Linux的启动模块和各种控制算法应用程序，再接上控制信号的驱动装置和一些其他必要的装置，就可以直接对机器的各个参数进行控制了。 6 小 结 　　 嵌入式Linux的出现使得构造工业控制系统有了更好的选择。Linux操作系统的高性能、高可靠性、众多高效免费的开发工具和应用程序，使得可以在很短的时间内设计出一个强大、高效、复杂、低成本的控制系统。 参考文献 1 Mantegazza P，et al. RTAI: Real-Time Application Interface 2 Rick Lehrbaum. Using Linux in Embedded and Real-time Systems. http://www.linuxdevices.com