摘要：本文分析了Linux在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用的可能性及優(yōu)勢，并設(shè)計了基于嵌入式Linux的工業(yè)現(xiàn)場控制器軟件，并實際應(yīng)用于計算機集散控制系統(tǒng)中，滿足了一般甚至核電領(lǐng)域中DCS系統(tǒng)對現(xiàn)場控制器的要求。

關(guān)鍵詞：嵌入式Linux；DCS；現(xiàn)場控制器

1．引言
現(xiàn)場控制器是DCS系統(tǒng)的核心組成部分，擔(dān)負(fù)著接收并執(zhí)行控制算法、采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)并進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理等職能，且具有控制周期短，運行穩(wěn)定、可靠等要求。因此，如何選用高性能的硬件，開發(fā)穩(wěn)定可靠的嵌入式操作系統(tǒng)，并設(shè)計現(xiàn)場控制器軟件系統(tǒng)成為DCS系統(tǒng)開發(fā)中的關(guān)鍵之一。
本文分析并設(shè)計了基于嵌入式Linux的工業(yè)現(xiàn)場控制器的控制軟件系統(tǒng)。
EmbeddedLinux的優(yōu)勢
EmbeddedLinux具有如下特點：
第一，Linux系統(tǒng)內(nèi)核源碼完全開放。因為Linux的內(nèi)核源碼是完全開發(fā)的，所以不同領(lǐng)域和層次的用戶可以免費得到Linux內(nèi)核源碼，并根據(jù)自己的應(yīng)用需要方便的對內(nèi)核進(jìn)行修改。這樣可以有效控制成本，并設(shè)計和開發(fā)出滿足其需要的嵌入式系統(tǒng)。
第二，強大的網(wǎng)絡(luò)功能。Linux的網(wǎng)絡(luò)連接能力緊密的和Linux內(nèi)核結(jié)合在一起，為用戶提供了完善而強大的網(wǎng)絡(luò)功能。實際上，Linux就是依靠互聯(lián)網(wǎng)才迅速發(fā)展了起來。Linux支持所有標(biāo)準(zhǔn)Internet協(xié)議，可以輕松地與TCP/IP、LANManager、WindowsforWorkgroups、NovellNetware或WindowsNT網(wǎng)絡(luò)集成在一起?？梢栽贚inux的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧基礎(chǔ)上開發(fā)出嵌入式的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，使得嵌入式設(shè)備具有強大的網(wǎng)絡(luò)功能。
第三，Linux是Unix兼容，完全符合IEEEPOSIX.1標(biāo)準(zhǔn)。許多運行在Unix上的軟件可以不加修的運行在Linux上。因此嵌入式Linux具有很多豐富的免費軟件資源可以利用。第四，Linux具備完整的開發(fā)工具鏈，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者輕易建立嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境和交叉運行環(huán)境，可以跨越嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中仿真工具的障礙。從編輯階段，編譯階段到調(diào)試階段，可以方便的使用GNU提供的EMACS，GCC，GDB，KGDB等工具鏈。第五，Linux具有廣泛的硬件支持。Linux能運行在，無論是RISC還是CISC、32位還是64位等各種處理器上。Linux支持各種主流的硬件設(shè)備和最新的硬件技術(shù)，可以在沒有MMU的處理器上運行。所以嵌入式Linux有廣泛的應(yīng)用前景。
工業(yè)控制DCS系統(tǒng)的組成
DCS是分散控制系統(tǒng)的簡稱，國內(nèi)一般習(xí)慣稱為集散控制系統(tǒng)。它是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，綜合了計算機、通訊、顯示和控制等4C技術(shù)，其基本思想是分散控制、集中操作、分級治理、配置靈活、組態(tài)方便。

DCS具有以下特點：
高可靠性
由于DCS將系統(tǒng)控制功能分散在各臺計算機上實現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用容錯設(shè)計，因此某一臺計算機出現(xiàn)的故障不會導(dǎo)致系統(tǒng)其它功能的喪失。此外，由于系統(tǒng)中各臺計算機所承擔(dān)的任務(wù)比較單一，可以針對需要實現(xiàn)的功能采用具有特定結(jié)構(gòu)和軟件的專用計算機，從而使系統(tǒng)中每臺計算機的可靠性也得到提高。
開放性
DCS采用開放式、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化設(shè)計，系統(tǒng)中各臺計算機采用局域網(wǎng)方式通信，實現(xiàn)信息傳輸，當(dāng)需要改變或擴充系統(tǒng)功能時，可將新增計算機方便地連入系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)或從網(wǎng)絡(luò)中卸下，幾乎不影響系統(tǒng)其他計算機的工作。
靈活性通過組態(tài)軟件根據(jù)不同的流程應(yīng)用對象進(jìn)行軟硬件組態(tài)，即確定測量與控制信號及相互
間連接關(guān)系、從控制算法庫選擇適用的控制規(guī)律以及從圖形庫調(diào)用基本圖形組成所需的各種監(jiān)控和警畫面，從而方便地構(gòu)成所需的控制系統(tǒng)。
易于維護(hù)功能單一的小型或微型專用計算機，具有維護(hù)簡單、方便的特點，當(dāng)某一局部或某個計算機出現(xiàn)故障時，可以在不影響整個系統(tǒng)運行的情況下更換，迅速排除故障。
協(xié)調(diào)性各工作站之間通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送各種數(shù)據(jù)，整個系統(tǒng)信息共享，協(xié)調(diào)工作，以完成控制系統(tǒng)的總體功能和優(yōu)化處理。
控制功能齊全控制算法豐富，集連續(xù)控制、順序控制和批處理控制于一體，可實現(xiàn)串級、前饋、解耦、自適應(yīng)和猜測控制等先進(jìn)控制，并可方便地加入所需的非凡控制算法。
DCS的構(gòu)成方式十分靈活，可由專用的治理計算機站、操作員站、工程師站、記錄站、現(xiàn)場控制站和數(shù)據(jù)采集站等組成，也可由通用的服務(wù)器、工業(yè)控制計算機和可編程控制器構(gòu)成。
處于底層的過程控制級一般由分散的現(xiàn)場控制站、數(shù)據(jù)采集站等就地實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制，并通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)傳送到生產(chǎn)監(jiān)控級計算機。生產(chǎn)監(jiān)控級對來自過程控制級的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中操作治理，如各種優(yōu)化計算、統(tǒng)計表、故障診斷、顯示警等。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，DCS可以按照需要與更高性能的計算機設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接來實現(xiàn)更高級的集中治理功能，如計劃調(diào)度、倉儲治理、能源治理等。
嵌入式控制器軟件設(shè)計
嵌入式控制器是指在DCS的硬件體系結(jié)構(gòu)中的現(xiàn)場控制站，即圖1中被紅色橢圓圈中的部分。在設(shè)定的控制周期下，主控制器循環(huán)的執(zhí)行從I/O設(shè)備采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)、控制邏輯運算、與操作員站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、故障診斷、冗余等任務(wù)。
主控制器向下通過I/O插件或者現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，連接現(xiàn)場的各種I/O設(shè)備、執(zhí)行設(shè)備等；向上通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與操作員站、工程師站等連接。
DCS系統(tǒng)的性能、可靠性等重要指標(biāo)主要體現(xiàn)在主控制器上。因此，設(shè)計出高效穩(wěn)定的現(xiàn)場控制器軟件系統(tǒng)，對于設(shè)計整個DCS系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。
1控制器硬件及系統(tǒng)平臺嵌入式控制器的硬件平臺為IntelXScaleIXP425嵌入式開發(fā)板；操作系統(tǒng)采用嵌入式Linux，版本為16。
2控制器軟件結(jié)構(gòu)
控制器軟件設(shè)計為運行于嵌入式Linux平臺上的單線程應(yīng)用程序，調(diào)度策略為實時的先入先出方式，現(xiàn)場運行采用雙機熱備份方式。由于控制器軟件要完成的各種功能相對獨立，因此本文中將控制器軟件程序設(shè)計成多模塊結(jié)構(gòu)。模塊之間的關(guān)系如下圖所示。

各模塊分別設(shè)計為：
總控模塊?？偪啬K指的是對系統(tǒng)整體運行進(jìn)行監(jiān)控的模塊，它協(xié)調(diào)和調(diào)度其他模塊的運行，包括系統(tǒng)開始啟動時的初始化、程序結(jié)束時所進(jìn)行的清理以及按照周期性調(diào)度其它模塊的運行。
時間治理模塊。在控制器軟件中，維護(hù)一個與校時無關(guān)的時間計數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)這個計數(shù)來進(jìn)行計時和調(diào)度。工作機和備份機之間通過校時使得絕對時間和計數(shù)都能保持一致。
通訊模塊。此模塊提供控制器軟件的網(wǎng)絡(luò)通訊功能，設(shè)計為具體網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對上層應(yīng)用即通訊服務(wù)模塊透明。同時，通訊模塊應(yīng)該實現(xiàn)將網(wǎng)絡(luò)上的字節(jié)流封裝成具有特定功能單元的數(shù)據(jù)包，及將具有特定功能單元的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)字節(jié)流，以供通訊服務(wù)模塊使用。
通訊服務(wù)模塊。通訊服務(wù)模塊和通訊模塊密切相關(guān)，是控制器軟件對外提供的服務(wù)接口?？刂破鬈浖x了一組標(biāo)準(zhǔn)的通訊服務(wù)，外部只要按照規(guī)定的格式向控制器發(fā)送通訊請求，控制器就會給出應(yīng)答或結(jié)果。通訊服務(wù)模塊實質(zhì)上是對通訊模塊所接收到的數(shù)據(jù)的處理；并將處理結(jié)果交給通訊模塊發(fā)送。
冗余模塊。冗余主要是涉及到工作機和備份機之間的通訊，采用網(wǎng)絡(luò)方式。主機需要向從機傳送的數(shù)據(jù)主要包括：下裝文件、運行數(shù)據(jù)、相關(guān)通訊服務(wù)命令等，另外工作機和備份機之間的校時也通過冗余模塊完成。
診斷模塊。診斷模塊負(fù)責(zé)檢測控制器運行狀態(tài)，并對出現(xiàn)及可能出現(xiàn)的異常狀態(tài)進(jìn)行修正。
錯誤信息處理模塊。控制器軟件中各模塊通過此錯誤信息處理模塊將各種錯誤信息記錄下來，通過通訊服務(wù)，記錄的錯誤信息可以被提取出來進(jìn)行分析，以便于分析、解決出現(xiàn)的問題。
狀態(tài)顯示模塊。狀態(tài)顯示模塊主要是負(fù)責(zé)按照要求控制控制器面板上顯示部件LED
燈顯示相應(yīng)信息。
掉電保護(hù)模塊。掉電保護(hù)模塊周期性地將重要數(shù)據(jù)保存，當(dāng)系統(tǒng)掉電重啟后，可恢復(fù)運行數(shù)據(jù)。本文中設(shè)計為周期性的將重要的運行數(shù)據(jù)保存到SRAM中，保存完畢后，設(shè)置掉電保護(hù)有效標(biāo)志；當(dāng)控制器重新啟動后，檢查此標(biāo)志，若有效，則恢復(fù)運行數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)交換模塊?？刂破鬈浖同F(xiàn)場IO模件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換：DP主站從輸入模塊收集輸入數(shù)據(jù)并發(fā)送給控制器，在IEC運算后，控制器軟件將輸出數(shù)據(jù)發(fā)送給DP主站，
DP主站將輸出數(shù)據(jù)分發(fā)給輸出設(shè)備。本文設(shè)計為DP主站將從現(xiàn)場智能設(shè)備收集的輸入數(shù)據(jù)存放在雙口RAM中，然后控制器軟件從雙口RAM中獲得輸入數(shù)據(jù)；控制器軟件將輸出數(shù)據(jù)存放在雙口RAM中，然后DP主站從雙口RAM獲得輸出數(shù)據(jù)，然后分發(fā)給現(xiàn)場智能設(shè)備。

IEC任務(wù)調(diào)度模塊。IEC任務(wù)調(diào)度模塊負(fù)責(zé)對各種IEC任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，包括周期性任務(wù)、連續(xù)性任務(wù)、內(nèi)部事件任務(wù)和外部事件觸發(fā)的任務(wù)。IEC任務(wù)調(diào)度模塊還要維護(hù)雙機之間的同步，通過發(fā)送和應(yīng)答同步標(biāo)號保證雙機之間的IEC任務(wù)運算的節(jié)拍一致。假如同步失敗，工作機要向備份機拷貝運行數(shù)據(jù)，然后備份機重新運行。
控制器軟件的代碼設(shè)計如下所示。
intmain

/Finalization/
}
控制器軟件程序在啟動后，對冗余模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)交換模塊、掉電保護(hù)模塊、狀
態(tài)顯示模塊、診斷模塊進(jìn)行初始化；之后進(jìn)入while無限循環(huán)并周期性的調(diào)用或執(zhí)行通訊模塊、狀態(tài)顯示模塊、數(shù)據(jù)交換模塊輸入部分、IEC任務(wù)調(diào)度模塊、數(shù)據(jù)交換模塊輸出部分、冗余同步模塊、診斷模塊、及可能的延時；當(dāng)程序碰到意外情況需要終止時，程序進(jìn)入清理部分，釋放占用的資源，最后結(jié)束運行。
實驗及結(jié)果分析
經(jīng)過實驗和對結(jié)果的分析，基于嵌入式Linux的嵌入式控制器具有較高性能，能滿足一般甚至核電領(lǐng)域DCS系統(tǒng)中現(xiàn)場控制器的要求。控制器軟件接收并調(diào)度數(shù)個周期型IEC任務(wù)時控制周期可達(dá)到50ms，并且滿足現(xiàn)場控制器網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷率小于15%，系統(tǒng)總負(fù)荷率小于40%等要求。
分析原因如下：
IXP425具有強大的計算能力和集成的NPE具有非常強大的網(wǎng)絡(luò)處理能力；系統(tǒng)配備大量內(nèi)存，程序可快速運行；
Linux運行于IXP425BIGENDIAN模式，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?？梢詼p少一些轉(zhuǎn)化處理；
Linux操作系統(tǒng)性能較好，控制器軟件采用模塊化設(shè)計，并優(yōu)化代碼，具有較強處理能力。

總結(jié)
本文分析了計算機集散控制器系統(tǒng)中現(xiàn)場控制器的在工業(yè)控制領(lǐng)域的重要性，并設(shè)計了基于嵌入式Linux的現(xiàn)場控制器軟件系統(tǒng)。所設(shè)計出的系統(tǒng)高效、可靠，滿足一般甚至核電領(lǐng)域的工業(yè)控制要求。基于嵌入式Linux的工業(yè)現(xiàn)場嵌入式控制系統(tǒng)必然有著更美好的前景。

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