山東交通學(xué)院，山東濟南 250357

一、 引言

傳統(tǒng)的用于工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)測的智能節(jié)點多是基于現(xiàn)場總線技術(shù)。由于自身技術(shù)的局限性以及多種總線標準分割共存局面的存在，現(xiàn)場總線技術(shù)在工控領(lǐng)域的進一步應(yīng)用受到了限制[1]。

基于μCLinux操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化節(jié)點由嵌入式處理器、外圍硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成，具有多路模擬量和開關(guān)量的實時采集與顯示、可以通過上位機實現(xiàn)遠程控制、完成數(shù)據(jù)采集記錄、檢測故障記錄、上下限報警、歷史數(shù)據(jù)記錄、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。采用帶有以太網(wǎng)接口和控制器的嵌入式節(jié)點為船舶設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)采集和遠程智能監(jiān)控提供了硬件支持。

二、μCLinux系統(tǒng)移植

嵌入式控制系統(tǒng)需要一個實時的操作系統(tǒng)對系統(tǒng)控制節(jié)點進行管理。對內(nèi)可以管理控制節(jié)點上各設(shè)備的運作和協(xié)調(diào)；對外則可以連接到Internet。μCLinux不僅集成了TCP/IP協(xié)議，還有很豐富的其它網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如 DHCP Server，webserver等[2]。

μClinux是一個源碼開放的操作系統(tǒng)，具有良好的移植性，可以移植到不同的微處理器的開發(fā)板上。在編譯系統(tǒng)內(nèi)核時可以對內(nèi)核重新配置和裁減，選擇嵌入式設(shè)備所需的功能支持模塊以減小內(nèi)核大小達到在嵌入式系統(tǒng)有限資源的基礎(chǔ)上實現(xiàn)所需功能。μCLinux的移植工作主要是用源代碼建立交叉編譯環(huán)境，對內(nèi)核配置編譯，制作文件系統(tǒng)，下載調(diào)試和執(zhí)行內(nèi)核后添加應(yīng)用程序?？砂匆韵虏襟E進行：

（1）首先下載μClinux源碼包和交叉編譯器，這里分別用的是uClinux-dist- 20040408.tar.gz版本和armelf-tools-20030314.sh。

（2）將uClinux-dist-20040408.tar.gz拷貝到/home/下進行解壓縮，在/home/下生成uClinux-dist目錄。解壓命令：tar xvzf uClinux-ARMSYS-20040801.tar.gz

（3）進行補丁文件的安裝。

把補丁文件uClinux-20040408.patch文件拷貝到uClinux-dist目錄下，運行命令：patch-p0< uClinux-20040408.patch 。 分別在 uClinuxdist/linux-2.4.x目錄和在uClinux-dist/config下生成內(nèi)核配置文件kernel_44b0.cfg和用戶配置文件user_44b0.cfg。

（4）安裝交叉編譯器：將arm-elftools-20030314.sh拷貝到根目錄，運行安裝：sh arm-elf-tools-20030314.sh。它將會安裝在usr/local/目錄下。

（5）內(nèi)核的配置：在目錄uClinux-dist下,運行make menuconfig命令進行開發(fā)板、芯片、版本號和庫文件設(shè)置，這里我們依次選為Samsung,、4510B、linux-2.4.x和μClib。

進入內(nèi)核定制界面，選項“載入內(nèi)核配置文件”，選中該項并回車，這時輸入配置文件kernel_44b0.cfg，因為在打補丁時該文件已生成在默認目錄下，此處只需將文件名輸入。

隨后是載入配置文件user_44b0.cfg后對用戶應(yīng)用程序的界面配置。為了使使內(nèi)核映像和根文件映像占用空間較小，可以把不需要的一些應(yīng)用程序去掉。配置完畢后退出并保存。

（6）對內(nèi)核進行編譯，燒入壓縮格式的內(nèi)核映象文件。

編譯完成后將在uClinux-dist/image下生成image.ram, image.rom, romfs.img 三個映像文件，把它們改成后綴名為.bin格式的文件燒入Flash中。

（7）應(yīng)用程序的添加：在uClinux-dist/user目錄下新建目錄，編寫自己的應(yīng)用程序，配置編譯后就可下載到開發(fā)板Flash中。

三、嵌入式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件電路設(shè)計

1、節(jié)點構(gòu)成

系統(tǒng)核心控制器件是32位RISC處理器S3C44B0X。具有豐富的片上外設(shè)，有可選擇的8KBCache，內(nèi)部SRAM、LCD控 制 器、2通 道UART、4通道DMA、系統(tǒng)管理器、5通道帶PWM 的定時器、I/O口、8通道10位ADC和PLL倍頻器。S3C44B0X通過提供全面的、通用的片上外設(shè)，大大減少了系統(tǒng)中除處理器以外的元器件配置，從而最小化系統(tǒng)的成本，并提高了系統(tǒng)的可靠性[3]。嵌入式工業(yè)控制系統(tǒng)節(jié)點的硬件設(shè)計組成如圖1所示。

系統(tǒng)使用了4MB 的Flash只讀存儲器，8MB的DRAM。嵌入式操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序的代碼和文件系統(tǒng)存儲在Flash中，用RTL8019AS以太網(wǎng)控制器為嵌入式控制器擴展了一個以太網(wǎng)端口。由于在系統(tǒng)運行時需要存儲一些可配置信息，如本地IP地址、服務(wù)器IP地址、數(shù)據(jù)采集計劃和決策、運行方式等，使用了串行E2PROM存儲各種配置信息。S3C44B0X自身具有10位A/D 轉(zhuǎn)換器、PWM信號輸出和多個I/O口，故對工業(yè)現(xiàn)場的各種設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控時，只要將相應(yīng)的傳感器信號接入控制器的端口即可。

2、人機界面

系統(tǒng)配備了鍵盤和LED接口，具有良好的人機界面。采用zlg7289A芯片通過串行方式與微處理器S3C44BOX進行通訊實現(xiàn)鍵盤掃描和LED的顯示，接線如圖2所示[4]。

ZLG7289A具有SPI 串行接口功能的可同時驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管或64只獨立LED的智能顯示驅(qū)動芯片，該芯片同時還可連接多達64 鍵的鍵盤矩陣,單片即可完成LED 顯示、鍵盤接口的全部功能。圖中將S3C44BOX的EINT7與ZLG7289A的KEY鏈接，利用外部中斷方式判斷有無鍵按下；D19-D20分別作為數(shù)據(jù)傳輸、時鐘和片選輸入與ZLG7289A連接；SEG0-SEG7作為LED段控制，DIG0-DIG7為位控制，同時還可以作為鍵盤矩陣。

S3C44BOX內(nèi)有兩個串口控制器(UART)，利用它在本系統(tǒng)中實現(xiàn)一個RS-232接口，既可作為系統(tǒng)開發(fā)時的串口調(diào)試之用，也可以作為產(chǎn)品的擴展通信接口。采用的電平轉(zhuǎn)化芯片是MAX232，把3.3V的邏輯電平轉(zhuǎn)換為RS232邏輯電平，進行傳輸。

3、網(wǎng)絡(luò)接口

RTL8019AS是帶有即插即用功能的全雙工以太網(wǎng)控制器，在一塊芯片上集成了RTL8019內(nèi)核和一個16KB的SDRAM存儲器。圖3用RTL8019AS、FB2022設(shè)計的以太網(wǎng)接口電路。

圖中74LV138是3-8譯碼器，F(xiàn)B2022是隔離變壓器。該電路使用外部中斷EXINT3，處理器的片選信號 nGCS1和 A16、A17、A18通過 74LV138 輸出為網(wǎng)卡的使能控制端。nOE 和nWE控制網(wǎng)卡的讀寫，nRESET 控制網(wǎng)卡的復(fù)位，F(xiàn)B2022起變壓濾波的作用，TPIN+、TPIN-為接收線，TPOUT+、TPOUT-為發(fā)送線，通過隔離變壓器與以太網(wǎng)接口RJ45連接，，通過標準帶RJ45插頭的雙絞線接入以太網(wǎng)，實現(xiàn)與主機進行接收和發(fā)送數(shù)據(jù)報等工作。

RTL8019AS工作于中斷方式下，當接收到數(shù)據(jù)時通過INTO輸出低電平信號發(fā)出中斷，處理器輸出片選信號和讀信號，選中以太網(wǎng)控制器，從RTL8019AS內(nèi)部RAM讀取數(shù)據(jù)。

4、模數(shù)轉(zhuǎn)換

對于需要進行模擬量控制輸出的場合，采用外部D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)對執(zhí)行器的控制信號，設(shè)計中選用10位TLV5617A數(shù)模轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)，連接原理如圖4所示。

TLV5617A 是帶有靈活3線串行接口的雙10位電壓輸出數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC串行接口，它可用含有4個控制位和10個數(shù)據(jù)位的串行16位字符串編程。通過S3C44B0X的I/O線對DAC7512寫轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。引腳的下降沿開始將數(shù)據(jù)一位接一位（從最高有效位開始）轉(zhuǎn)移到在SCLK引腳的下降沿上的內(nèi)部寄存器中，在16位數(shù)據(jù)傳送完或上升時，轉(zhuǎn)移寄存器的內(nèi)容被移入目標鎖存DACA或DACB緩沖器中，這取決于數(shù)據(jù)字中的控制位。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計

1、軟件功能

嵌入式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的軟件模塊主要分為：網(wǎng)絡(luò)通信模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、任務(wù)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)接收模塊和輔助功能模塊。

網(wǎng)絡(luò)通信模塊主要擔負與遠程計算機或上位機的通信功能，進行網(wǎng)卡芯片初始化，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的移植，完成數(shù)據(jù)上傳與接受。當有數(shù)據(jù)過來，通過本地DMA將數(shù)據(jù)從網(wǎng)線拷貝到網(wǎng)卡接收緩沖區(qū)，當緩沖區(qū)滿時，再通過遠程DMA將數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)存供處理器處理。

數(shù)據(jù)處理模塊包括模擬節(jié)點數(shù)據(jù)采集算法，完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理和分析功能。

數(shù)據(jù)接收模塊解析接受到的遠程主機的數(shù)據(jù)幀，調(diào)用各個模塊完成不同的功能。

任務(wù)模塊主要接受上位機來的監(jiān)測任務(wù)，根據(jù)任務(wù)要求，對現(xiàn)場的各個通道的數(shù)據(jù)進行切換、監(jiān)測和控制。由此，智能節(jié)點根據(jù)任務(wù)自主地完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的監(jiān)控。

輔助功能模塊完成智能節(jié)點的設(shè)置、歷史數(shù)據(jù)記錄、設(shè)置看門狗等輔助性功能。

2、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的工作模式

嵌入式智能節(jié)點流程如圖5。

采用被動模式和主動模式完成和上位機的通信及監(jiān)控功能，兩種方式是交互進行的。系統(tǒng)上電后節(jié)點首先是處于被動工作模式下，處于查詢狀態(tài)，在與遠程主機完成確認之后，程序等待遠程計算機的指令。接收到指令后，判斷指令類型，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序。

嵌入式智能節(jié)點主動工作模式下自主地實現(xiàn)本地節(jié)點任務(wù)中規(guī)定工作，例如接收人機接口輸入設(shè)定，采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，根據(jù)要求進行PID運算，通過與嵌入式控制器相連接的執(zhí)行機構(gòu)完成現(xiàn)場參數(shù)控制，數(shù)據(jù)記錄報警等。

五、總結(jié)

本文設(shè)計的嵌入式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點已經(jīng)在船舶柴油機氣缸冷卻水溫度控制中得到應(yīng)用測試，完成了對冷卻水的溫度檢測、控制和遠程監(jiān)控，具有良好性能和效果。所設(shè)計智能節(jié)點的控制器數(shù)據(jù)處理能力和速度得到較大提高,試驗測試冷卻水溫度的就地控制精度達到±0.2℃,精度較之原單片機系統(tǒng)提高一倍；采用TLV5617A數(shù)模轉(zhuǎn)換器能夠使控制參數(shù)輸出精度達到0.1%，調(diào)節(jié)閥機構(gòu)動作更準確；所設(shè)計以太網(wǎng)口的數(shù)據(jù)吞吐能力較大，遠程傳送速度大大提升，遠程主機及時準確的接收到現(xiàn)場數(shù)據(jù)。由此可見采用網(wǎng)絡(luò)化的智能節(jié)點便于在大范圍內(nèi)共享資源，形成豐富的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對各數(shù)據(jù)點的網(wǎng)絡(luò)化。嵌入式的應(yīng)用增強了系統(tǒng)性穩(wěn)定性、開放性、靈活性及便于軟件移植和升級等特點，在工業(yè)測控領(lǐng)域具有很好的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。