平台包括运行环境和开发环境两部分。使用开发环境,用户可以方便组态和二次开发,而将开发重点集中到具体的控制系统应用上,而诸如系统的软件架构设计、实时性保证、通用的控制系统软件如网络通信、控制算法等复杂而繁琐的软件工作,则交由平台完成。
2.3平台的总体框架
嵌入式控制系统平台是以嵌入式实时操作系统为核心,包括硬件平台、硬件驱动、图形库运行环境、实时数据库管理与通信、人机界面、软PLC、网络通信、用户应用程序等。
嵌入式控制系统平台总体框架如图1所示。
图1嵌入式控制系统软件平台总体框架
由图1可知,嵌入式控制系统软件平台主要包括以下部分:
(1) 嵌入式硬件平台 (2) 嵌入式实时操作系统 (3) 硬件驱动程序 (4) 图形库与运行环境 (5) 实时数据库管理与通信 (6) 人机界面 (7) 软PLC (8) 网络通信 (9) 用户应用程序
3嵌入式控制系统软件平台主要模块的实现
嵌入式控制系统软件平台是个非常复杂的系统,从总体框架图可以看出平台包括实时操作系统、实时数据库管理与通信、图形库与运行环境、人机界面等许多模块,本章着重介绍嵌入式实时操作系统、实时数据库管理与通信等模块的实现。
3.1嵌入式Linux实时操作系统
Linux是一种能运行于多种平台、功能强大、源代码公开、免费的操作系统,基于Linux开发一个开放的、标准的、高效廉价的实时操作系统是完全可行的。本文介绍的嵌入式控制系统软件平台就采用嵌入式Linux实时操作系统,使用双内核RTAI解决方案。RTAI的实现方案类似于RT-Linux,是双内核系统,即利用Linux内核,同时增加一个实时内核,两个内核共同工作。RTAI利用Linux提供的内核模块机制完成实时任务,提供实时服务。模块是内核的一部分,但是没有被编译到内核里去。模块被编译成一组目标文件,根据需要,这些文件能够被插入到正在运行的内核中,也可以从正在运行的内核中移去。RTAI实现的主要模块有RTAI核心模块、RTAI调度器模块、RTAI先进先出模块、RTAI共享内存模块和LXRT模块等。
3.1.3基于RTAI的Linux实时操作系统的实现
我们实现基于RTAI的Linux实时操作系统的过程是:在标准Linux的基础上,打上RTAI的实时补丁包,根据特定硬件条件和运行环境的要求进行适当的配置,再对内核进行裁剪后编译成一个支持实时性的内核。
3.1.4基于RTAI-Linux的应用程序开发
在编写基于RTAI-Linux的应用程序时,根据实时系统的具体要求,将应用程序分为实时任务和非实时任务。实时任务是实时模块,作为Linux核心可加载模块运行在核心态。一般地,定义init_module()函数,它在执行insmod命令装载模块时被调用,在该函数中一般是作一些初试化工作,并且启动实时任务。同样的,还需要定义cleanup_module()函数,它在执行rmmod卸载模块时被调用,在该函数中一般是做一些资源释放工作。实时任务的设计应该尽可能简单,仅包含那些有强实时要求的处理模块,如实时数据采集、外部设备控制等。
非实时任务是普通的Linux进程,它在用户态运行,运行那些对实时要求不高的任务,如数据处理、图形显示等。
实时任务(RTAI核心态)并不能直接调用系统调用,它必须通过特定的方法和非实时任务(Linux进程)进行通信。它们可以通过共享内存和FIFO等方法通信。
基于RTAI应用程序的结构图如图2所示。
图2 RTAI应用程序结构图
3.2实时数据库管理与通
本系统的实时数据库管理着全局I/O数据。通过硬件驱动程序,将数据采集,并放入到实时数据库中,同时,上层软件从实时数据库中获得数据。
3.2.1数据结构设计
实时数据库与其他一般数据库一样,包含一组对象及其结构,由于目前对实时数据库还没有提出统一的数据模型,所以不同厂家开发的数据库的数据结构都有很大差别。本系统的实时数据库,一个基本的数据对象为“数据”,一个数据包含若干信息,如数据名称、数据类型、数据位置、数据长度等。
考虑到数据的存取效率,程序运行一开始,我们将在内存区开辟一段缓冲区,缓冲区中只存放数据,如果缓冲区大小不够,即缓冲区的数据较多,可以自动扩展缓冲区大小。实时数据存放在缓冲区时,我们采取这种思想:如果不是bit型数据,由于数据长度都是字节的整数倍,存入缓冲区中以字节来进行存储,该数据的长度length是以字节来计算。如果是bit型数据,存入缓冲区中,该数据的长度length是以位来计算,接着再存储一个实时数据,若为非bit型数据,则从下一个字节开始存放,即原来的bit型数据占用一个字节,若为bit型数据,根据此数据的长度来判断其存放位置,这里又分两种情况,如果这两个bit型数据的长度没有超过8位,则紧接着前一个bit型数据后存储这个bit型数据,如果两个bit型数据的长度超过8位,则从下一个字节开始存放,即原来的bit型数据占用一个字节。
3.2.2数据存取设计
为了存取方便,我们将所有的实时数据组成一个链表,链表的节点类型为上述的rtdb_data_t结构。当向实时缓冲区中加入一条数据时,就自动会计算出数据存储位置、长度等信息,并在实时数据库链表中加上一个节点。这样,取实时数据就非常灵活和方便,如果知道实时数据
