平臺(tái)包括運(yùn)行環(huán)境和開發(fā)環(huán)境兩部分。使用開發(fā)環(huán)境,用戶可以方便組態(tài)和二次開發(fā),而將開發(fā)重點(diǎn)集中到具體的控制系統(tǒng)應(yīng)用上,而諸如系統(tǒng)的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)性保證、通用的控制系統(tǒng)軟件如網(wǎng)絡(luò)通信、控制算法等復(fù)雜而繁瑣的軟件工作,則交由平臺(tái)完成。
2.3平臺(tái)的總體框架
嵌入式控制系統(tǒng)平臺(tái)是以嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為核心,包括硬件平臺(tái)、硬件驅(qū)動(dòng)、圖形庫(kù)運(yùn)行環(huán)境、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理與通信、人機(jī)界面、軟PLC、網(wǎng)絡(luò)通信、用戶應(yīng)用程序等。
嵌入式控制系統(tǒng)平臺(tái)總體框架如圖1所示。
圖1嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)總體框架
由圖1可知,嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)主要包括以下部分:
(1) 嵌入式硬件平臺(tái) (2) 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (3) 硬件驅(qū)動(dòng)程序 (4) 圖形庫(kù)與運(yùn)行環(huán)境 (5) 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理與通信 (6) 人機(jī)界面 (7) 軟PLC (8) 網(wǎng)絡(luò)通信 (9) 用戶應(yīng)用程序
3嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)主要模塊的實(shí)現(xiàn)
嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)是個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng),從總體框架圖可以看出平臺(tái)包括實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理與通信、圖形庫(kù)與運(yùn)行環(huán)境、人機(jī)界面等許多模塊,本章著重介紹嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理與通信等模塊的實(shí)現(xiàn)。
3.1嵌入式Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)
Linux是一種能運(yùn)行于多種平臺(tái)、功能強(qiáng)大、源代碼公開、免費(fèi)的操作系統(tǒng),基于Linux開發(fā)一個(gè)開放的、標(biāo)準(zhǔn)的、高效廉價(jià)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是完全可行的。本文介紹的嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)就采用嵌入式Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),使用雙內(nèi)核RTAI解決方案。RTAI的實(shí)現(xiàn)方案類似于RT-Linux,是雙內(nèi)核系統(tǒng),即利用Linux內(nèi)核,同時(shí)增加一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核,兩個(gè)內(nèi)核共同工作。RTAI利用Linux提供的內(nèi)核模塊機(jī)制完成實(shí)時(shí)任務(wù),提供實(shí)時(shí)服務(wù)。模塊是內(nèi)核的一部分,但是沒有被編譯到內(nèi)核里去。模塊被編譯成一組目標(biāo)文件,根據(jù)需要,這些文件能夠被插入到正在運(yùn)行的內(nèi)核中,也可以從正在運(yùn)行的內(nèi)核中移去。RTAI實(shí)現(xiàn)的主要模塊有RTAI核心模塊、RTAI調(diào)度器模塊、RTAI先進(jìn)先出模塊、RTAI共享內(nèi)存模塊和LXRT模塊等。
3.1.3基于RTAI的Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
我們實(shí)現(xiàn)基于RTAI的Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的過程是:在標(biāo)準(zhǔn)Linux的基礎(chǔ)上,打上RTAI的實(shí)時(shí)補(bǔ)丁包,根據(jù)特定硬件條件和運(yùn)行環(huán)境的要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲?再對(duì)內(nèi)核進(jìn)行裁剪后編譯成一個(gè)支持實(shí)時(shí)性的內(nèi)核。
3.1.4基于RTAI-Linux的應(yīng)用程序開發(fā)
在編寫基于RTAI-Linux的應(yīng)用程序時(shí),根據(jù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的具體要求,將應(yīng)用程序分為實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)。實(shí)時(shí)任務(wù)是實(shí)時(shí)模塊,作為L(zhǎng)inux核心可加載模塊運(yùn)行在核心態(tài)。一般地,定義init_module()函數(shù),它在執(zhí)行insmod命令裝載模塊時(shí)被調(diào)用,在該函數(shù)中一般是作一些初試化工作,并且啟動(dòng)實(shí)時(shí)任務(wù)。同樣的,還需要定義cleanup_module()函數(shù),它在執(zhí)行rmmod卸載模塊時(shí)被調(diào)用,在該函數(shù)中一般是做一些資源釋放工作。實(shí)時(shí)任務(wù)的設(shè)計(jì)應(yīng)該盡可能簡(jiǎn)單,僅包含那些有強(qiáng)實(shí)時(shí)要求的處理模塊,如實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、外部設(shè)備控制等。
非實(shí)時(shí)任務(wù)是普通的Linux進(jìn)程,它在用戶態(tài)運(yùn)行,運(yùn)行那些對(duì)實(shí)時(shí)要求不高的任務(wù),如數(shù)據(jù)處理、圖形顯示等。
實(shí)時(shí)任務(wù)(RTAI核心態(tài))并不能直接調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用,它必須通過特定的方法和非實(shí)時(shí)任務(wù)(Linux進(jìn)程)進(jìn)行通信。它們可以通過共享內(nèi)存和FIFO等方法通信。
基于RTAI應(yīng)用程序的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
圖2 RTAI應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)圖
3.2實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理與通
本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理著全局I/O數(shù)據(jù)。通過硬件驅(qū)動(dòng)程序,將數(shù)據(jù)采集,并放入到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中,同時(shí),上層軟件從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得數(shù)據(jù)。
3.2.1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與其他一般數(shù)據(jù)庫(kù)一樣,包含一組對(duì)象及其結(jié)構(gòu),由于目前對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)還沒有提出統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型,所以不同廠家開發(fā)的數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都有很大差別。本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù),一個(gè)基本的數(shù)據(jù)對(duì)象為“數(shù)據(jù)”,一個(gè)數(shù)據(jù)包含若干信息,如數(shù)據(jù)名稱、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)位置、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等。
考慮到數(shù)據(jù)的存取效率,程序運(yùn)行一開始,我們將在內(nèi)存區(qū)開辟一段緩沖區(qū),緩沖區(qū)中只存放數(shù)據(jù),如果緩沖區(qū)大小不夠,即緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)較多,可以自動(dòng)擴(kuò)展緩沖區(qū)大小。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存放在緩沖區(qū)時(shí),我們采取這種思想:如果不是bit型數(shù)據(jù),由于數(shù)據(jù)長(zhǎng)度都是字節(jié)的整數(shù)倍,存入緩沖區(qū)中以字節(jié)來進(jìn)行存儲(chǔ),該數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度length是以字節(jié)來計(jì)算。如果是bit型數(shù)據(jù),存入緩沖區(qū)中,該數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度length是以位來計(jì)算,接著再存儲(chǔ)一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),若為非bit型數(shù)據(jù),則從下一個(gè)字節(jié)開始存放,即原來的bit型數(shù)據(jù)占用一個(gè)字節(jié),若為bit型數(shù)據(jù),根據(jù)此數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度來判斷其存放位置,這里又分兩種情況,如果這兩個(gè)bit型數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度沒有超過8位,則緊接著前一個(gè)bit型數(shù)據(jù)后存儲(chǔ)這個(gè)bit型數(shù)據(jù),如果兩個(gè)bit型數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度超過8位,則從下一個(gè)字節(jié)開始存放,即原來的bit型數(shù)據(jù)占用一個(gè)字節(jié)。
3.2.2數(shù)據(jù)存取設(shè)計(jì)
為了存取方便,我們將所有的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)組成一個(gè)鏈表,鏈表的節(jié)點(diǎn)類型為上述的rtdb_data_t結(jié)構(gòu)。當(dāng)向?qū)崟r(shí)緩沖區(qū)中加入一條數(shù)據(jù)時(shí),就自動(dòng)會(huì)計(jì)算出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置、長(zhǎng)度等信息,并在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)鏈表中加上一個(gè)節(jié)點(diǎn)。這樣,取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)就非常靈活和方便,如果知道實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)
