（机械制造及其自动化专业论文）嵌入式linux在远程数据采集中的应用研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着网络技术的广泛应用和对模式识别理论的深入研究，对关键设备进行在线监测 与故障诊断成为一个重要的发展趋势，对预知维修技术的方展也有重要的意义。本文论 述的数据采集系统属在线监测与故障诊断系统的下位机部分，其主要功能是实现多通道 数据的实时采集和远程传输。 对重要设备进行在线状态监测，振动信号的实时采集和传输是一个关键问题。因此， 本文利用$ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器将前端并行采集与存储到双口r a m 中的数据实时读出并 通过网络传输芯片c s 8 9 0 0 a 传输给远程在线状态监测系统。硬件部分的工作包括微处 理器存储、传输以及调试三个模块的电路设计，为后续应用程序的开发下了良好的基础。 在系统软件设计上了采用嵌入式l i n u x ，建立了相应的软件开发环境，包括交叉编 译环境的建立、内核的裁减与移植、引导程序和嵌入式文件系统的移植工作。该开发环 境的建立，使得应用程序的开发更加便捷。根据系统开发的需要，编写了设备双口r a m 和网络芯片的驱动程序。在上述工作的基础上，应用程序采用多线程技术来实现双口 r a m 中多通道数据的并行读取，并采用套接字网络编程技术完成数据的远程传输，保 证了数据传输的实时性。传输过程中网络通信采用t c p 协议，保证了远程数据传输可 靠性。 文中提出了通过设置通道优先级来保证多通道同步的方法，并根据各测点监测部件 的重要程度设置不同采样长度和频率，能够更好的保证状态监测的实时性，对远程多通 道数据采集系统的进一步研究具有一定应用价值和参考意义。 关键词：远程传输；嵌入式l i n u x ；多通道 嵌入式l i n u x 在远程数据采集中的应用研究 t h e a p p l i c a t i o ns t u d y o fe m b e d d e dl i n u xi nr e m o t ed a t a a c q u i s i t i o n a b s t r a c t i t i sv e r yi m p o r t a n tt oa c q u i r ea n dt r a n s m i tt h ev i b r a t i o ns i g n a li nt i m ef o rt h eo n l i n e s t a t u sm o n i t o r i n go fi m p o r t a n tf a c i l i t i e s s om i c r o p r o c e s s o rs 3 c 2 4 0 xi su s e dt og e tt h ed a t a w h i c hp i c k u p e da n ds t o r a g e db yf r o n t - e n dp r o c e s s i n ge l e c t r i cc i r c u i ti nt h ed u a l - p o r tr a m ， a n dn e t w o r kt r a n s m i s s i o nc h i pc s 8 9 0 0 ai su s e dt ot r a n s f e rt h ed a t at ot h er e m o t eo n - l i n e s t a t u sm o n i t o r i n gs y s t e m 皿ed e s i g n i n go fh a r d w a r ei n c l u d et h em i c r o p r o c e s s o rs t o r a g e m o d u l e ，t h et r a n s m i s s i o nm o d u l ea n dp r o g r a md e b u g g i n gm o d u l e ，w h i c hi sh e l p f u lf o rt h e f o l l o w i n ga p p l i c a t i o np r o g r a md e v e l o p m e n t e m b e d d e dl i n u xi su s e di nt h es o f t w a r e d e s i g no ft h es y s t e ma n dn e c e s s a r y d e v e l o p m e n te n v i r o m e n ti so f 断c df o ri t , w h i c hi n c l u d et h eb u i l do fc r o s sc o m p l i n gs e r i n g t h er e d u c t i o na n di m p l a n t i n go fl i n u xk e r n e l ，t h ee x p l a n t a t o no fb o o t s t r a pp r o g r a ma n d e m b e d d e df i l es y s t e m n 他e n v i r o n m e n tm a k e si te a s i e rt o d e v e l o pa p p l i c a t i o n 舯o g a m d e v i c ed r i v e r so fd u a l - p o r tr a ma n dn e t w o r kt r a n s m i s s i o nc h i p t - ed e v e l o p e da c c o r d i n ga s t h ed e v e l o p m e n tr e q u i r e m e n to ft h es y s t e m b a s e do na l lt h ew o r kd o n ea b o v e m u l t i - t h r e a d t e c h n o l o g yi su s e dt or e a dt h ed a t ai nt h ed u a l - p o r tr a ms y n c h r o n o u s l y ，a n ds o c k e tn e t w o r k p r o g r a mi su s e dt oa c c o m p l i s ht h el o n g - d i s t a n c ed a t at r a n s m i s s i o ni nt h ea p p l i c a t i o np r o g r a m d u r i n gt h ep r o c e s s ，t h et c pp r o t o c o li su s e dt oe n s u r et h er e l i a b i l i t yo fl o n gd i s t a n c ed a t a t r a n s m i s s i o n au e wm e t h o di sp r e s e n t e dt 0e n s u r et h es y n c h r o n i z a t i o no ft h ed i f f e r e n tc h a n n e l sv i a s e t t i n gt h ed i f f e r e n tc h a n n e lw i t ht h ed i f f e r e n tp r i o r i t y ，a n dd i f f e r e n tc y c l i cs a m p l i n gl e n g t h s a n df r e q u e n c i e sa r eu s e dt od i f f e r e n t i a t e 也ei m p o r t a n c eo fe a c hp a r t t h u st h er e a l - t i m e p e r f o r m a n c ec a l lb ea c h i e v e dm o r ee a s i l y t oac e r t a i ne x t e n t , t h i sp a p e ri su s e f u la n d s i g n i f i c a n tf o rt h ef i l r t h e rd e v e l o p m e n to fr e m o t em u l t i - c h a n n e ld a qs y s t e mt oac r t a i n e x t e n t k e yw o r d s ： r e m o t et r a n s m i s s i o n ：e m b e d d e dl i n u x ；m u l t i - c h a n n e l i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谓拍q 地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：i ：遗：日期：1 2 ：! ! ：竺星 盔堡垄三盔堂塑主堕塞生堂垡鲨苎 ， 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名c 何象作者签名：虹! ! 望二 导师签名丝! 旦年月 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 嵌入式系统概述 1 1 1 嵌入式系统概念 嵌入式系统是指以应用为核心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，对功能、可 靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统。根据英国电机工程师协会所做的 定义“嵌入式系统是控制、监视或辅助某个设备、机器甚至工厂运行的设备”，嵌入式 系统应该具备以下4 个特性： 执行特定的功能 以微处理器与外围设备构成核心 需要严格的时序与稳定性 全自动操作 由上述可知，嵌入式系统是计算机软件与硬件的综合体，整个综合体的设计目的在 于满足某种特殊功能，并应用与各类具体的应用系统中。 可以从以下几个方面来理解嵌入式系统的含义： 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，必须和具体应用相结合才会 具有生命力。正因为与具体应用的紧密结合，嵌入式系统采用很强的专用性。 嵌入式系统将先进的半导体技术、计算机技术和电子技术，以及各个行业的具 体应用相结合，是技术密集、资金密集、学科交叉和不断传新的知识集成系统。 由于嵌入式系统必须根据应用需要对硬件和软件进行裁减，以满足应用系统对 功能、可靠性、成本、体积和功耗的要求。 由上述可以看出，嵌入式系统是一个外延极广的概念，凡是与产品结合在一起的， 具有嵌入式系统特点的系统都可以称作嵌入式系统f i 】。 1 1 2 嵌入式系统组成 嵌入式系统通常是由嵌入式处理器、嵌入式外围设备，嵌入式操作系统和嵌入式应 用软件等几大部分组成【2 】。 嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。它与通用处理器的最大不同点在于嵌入式 c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它把通用c p u 中由板卡完成的任务集成 在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计小型化，并具有高效率，高可靠性等特征。 嵌入式l i n u x 在远程数据采集中的应用研究 嵌入式处理器可分为低端的嵌入式微控制器( m c u ) 、中高端的嵌入式微处理器 ( e m p u ) 、常用于计算机通信领域的嵌入式d s p 处理器( e d s p ) 和高集成的嵌入式 片上系统( s o c ) ，该内容的进一步介绍见3 2 1 节。 嵌入式外围设备 嵌入式外围设备，指在一个嵌入式硬件系统中，除了中心控制部件以外的完成存储， 通信、保护、调试、显示等辅助功能的其他部件。 嵌入式操作系统 每一种嵌入式操作系统都有自身的优越性，用户可根据自己的实际应用选择适当的 操作系统。嵌入式系统的引入大大提高嵌入式系统的功能，方便嵌入式应用软件的设计， 但同时占用了宝贵的嵌入式资源，一般在多任务的应用场合考虑使用嵌入式操作系统。 其定义见2 1 2 节。 嵌入式应用软件 嵌入式应用软件是针对特定的实际专业领域的，基于相应的嵌入式硬件平台的，并 能完成用户预期任务的计算机软件。它与普通的应用软件的区别在于嵌入式应用软件不 但要保证准确性，安全性，稳定性以满足应用要求，还要尽可能的优化。 1 1 3 嵌入式系统开发流程 嵌入式系统设计一般由需求分析，体系结构设计，硬件、软件、执行机构设计，系 统集成以及系统测试等5 个阶段组成，其一般流程如图1 1 所示。各个阶段之间往往要 求不断的反复和修改，直至完成最终的设计目标【3 】。 图1 1 嵌入式系统设计开发一般流程 f i g 1 1 t h e g e n e r a lp r o c e s s o f d e s i g n i n g a a e m b e d d e ds y s t e m 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 1 ，1 4 嵌入式系统应用前景 嵌入式系统具有非常广阔的应用领域，是现代计算机技术改造传统产业，提升多领 域技术水平的有力工具，可以说嵌入式系统无处不在。其主要应用领域包括智能产品、 工业自动化、办公自动化、电网安全、电网设备检测、石油化工、商业应用、安全防范、 网络通信) 、汽车电子与航空航天以及军事等领域【3 】 嵌入式系统是信息产业走向2 l 世纪知识经济时代的最重要的经济增长点之一。这 是一个不可垄断的工业，对中国的信息产业来说充满了机遇和挑战。嵌入式工业的基础 是以应用为中心的芯片设计和面向应用的软件开发。实时多任务操作系统( r t o s ) 进 入嵌入式系统工业的意义，不亚于历史上机械工业采用三视图技术后的发展。对嵌入式 软件的标准化和加速知识创新是一个里程碑。同时，嵌入式l i n u x 的巨大优越型让我们 将目光都投向它的身上。嵌入式系统的发展以及应用，必将有光明的前途【4 】。 1 2 课题的提出及意义 1 。2 1 机槭故障诊断综述 所谓诊断就是根据机械设备的运行过程中产生的各种信息来判别机械设备是正常 运行还是发生了异常现象，也就是识别机器是否发生了故障，称为故障诊断。 机械故障诊断技术是近2 0 年来国际上随着电子计算机技术、现代测量技术和信号 处理技术的迅速发展而发展起来的一项新技术。应用故障诊断技术对机器设备进行监测 和诊断，可以及时发现机器的故障和预防设备恶性事故的发生，从而避免人员伤亡、环 境的污染和巨大的经济损失；应用故障诊断技术可以找出生产系统中的事故隐患，从而 对机械设备和工艺进行改造，以消除事故的隐患，故障诊断技术最重要的意义在于改革 设备维修制度，现在多数工厂的维修是定期检修，不论设备是否由故障都按人为的计划 时间定期检修，造成很大的浪费。由于诊断技术能诊断和预报设备的故障，因此在设备 正常运转没有故障的情况下不停车，在发现故障前兆时能及时停车，按诊断出故障的性 质和部位，可以有的放矢地进行检修，这就是预知维修现代化维修技术。把定期维 修改为预知维修，不但可以节约大量的维修费用，而且由于减少了许多不必要的维修时 间，从而大大增加了机器设备正常运转时间，大幅度地提高生产效率，可产生巨大的经 济效益阴。 故障诊断的发展经历了三个阶段： 感官诊断阶段 该阶段由于机器设备简单，故障诊断主要依靠专家或者维修人员的感官，个人经验 及简单仪表就能胜任故障的诊断与排除工作。 嵌入式l i n u x 在远程数据采集中的应用研究 现代诊断技术阶段 以传感器技术、动态测试技术为手段，以信号分析和建模处理为基础，在工程中得 到了广泛的应用。 智能诊断技术阶段 近年来，由于机器设备日趋复杂化以及智能信息处理技术的快速发展，诊断技术进 入了它的第三个发展阶段1 1 言号分析、建模与智能诊断技术阶段 随着模糊理论、专家系统、神经网络技术、小波分析理论检测技术以及计算机和通 信等技术的发展，设备故障诊断技术正朝智能化方向发展，已经形成了一门集成数学、 物理、化学、电子技术、计算机技术、通信技术、信息处理、模式识别和人工智能等多 学科交叉的综合性技术，相应的设备维修技术也步入了智能化维修阶段。现在，智能化 的故障诊断专家系统，已经应用于电力系统、石化系统、以及高科技产业中的核动力电 站，航空部门和载人航天工程等。 i 2 2 在线故障诊断 随着现代科学技术的进步与发展，设备结构越来越复杂，自动化程度越来越高。随 之而来的问题是，一旦关键设备发生故障，不仅会造成巨大的经济损失，而且可能危及 人身安全，造成重大的社会影响。因此人们对设备的安全、稳定、长周期、满负荷运行 的要求也越来越迫切，希望能及时了解设备运行状态、预防故障、杜绝事故、最大限度 地发挥设备的生产潜力。机电设备状态监测与故障诊断技术研究是根据设备在运行过程 中伴随故障而必然产生的振动、噪声、温度、压力等物理参数的变化来判断和识别设备 的工作状态和故障，对故障的危害进行早期识别和预报，做到防患于未然，实现预知检 查维修，避免“过剩维修”造成的不经济、不合理现象，它能够节省大量人力物力，为 企业和社会带来巨大的经济效益网。 在线故障诊断是全天候监测机器设备运行状态，并对其运行状态进行故障诊断。一 旦机器的某些运行指标达到故障诊断系统中报警或者停机的标准，系统会发出警报，提 醒有关技术人员对被监测机器设备进行重点监护，认真分析在线系统中有关数据，参考 在线监测系统给出的诊断结果，以决定是继续观察设备运行状态还是停机处理，预防事 故的发生，保证生产和工作人员的安全。 1 2 3 数据采集系统的功能及意义 本课期属于为某石化公司开发的大型设备状态监测与故障诊断在线系统项目的下 位机部分。该项目的开发任务是完成对该公司某车间关键设备的远程状态监测与故障诊 断。 - 4 - 大连理工大学硕士学位论文 课题的任务是机器设备运行状态的的实时数据采集，并将所采集数据实时地远程传 输给上位机，从而使上位机中的故障诊断软件对所接收到的数据进行分析诊断。 数据实时采集才能保证真实反映各个不同部件的运行状态。机器不同的部件由于工 作频率不同，因此采样频率也应该有所区别。合理安排各个部件的采样频率不但可以减 小单位时间内微处理器数据处理的工作量，而且能够提高采集的实时性和在线系统的监 测与故障诊断结果的可靠性。多个监测的部件要求采集系统有多个数据采集通道，这样 不但可以节省成本，合理有效利用系统的资源，而且可以节省大量的空间，不至于给现 有的工厂环境造成大的影响。 远程数据传输分为以下几类：基于g p r s 网络的无线远程数据传输、基于电力线载 波技术的远程数据传输、基于公众电话网的远程数据传输和基于嵌入式i n t e r n e t 技术 的远程数据传输。但是基于公众电话网远程传输和基于g p r s 网络的无线传输均在传输 速度上有很大的不足；基于电力线载波技术的远程数据传输不但误码率高而且仅限于同 一个电力变压器供电范围内使用；嵌入式i n t e r n e t 技术是近几年发展起来的新技术。 它创新地使底层数据采集系统与i n t e r n e t 的无缝连接有了可行方案。该技术非常有前 途，但相对其他几种远程数据采集技术来说，软件工作较为复杂”1 。 因此，本数据采集系统采用嵌入式i n t e r n e t 技术，将3 2 位m c u 与以太网芯片结合， 在m c u 上嵌入带有t c p i p 协议的实时操作系统r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ) 。在执 行数据采集任务时，m c u 对现场采集的数据进行处理，并驱动以太网芯片将数据发送到 远程在线监测系统。这种传输方式不但可以将数据采集与故障诊断系统能够很好的分 离，保证工作人员有好的工作环境，还可以在此采集系统的基础上实现远程故障诊断， 将机器远行状态数据发送到远程诊断的专家或者其他厂工作人员手中，从而使故障诊断 更加专业和准确。采用i n t e r n e t 技术进行远程数据采集与传输工作，对在线监测系统有 十分重要的现实意义和一定的理论价值，对数据采集系统研究也有一定的借鉴意义。 1 3 论文的主要研究工作 本课题需要实现功能有实现多通道数据的实时采集与远程传输，为在线监测与故障 诊断系统提供真实的数据。本研究的重点在于硬件平台的搭建、嵌入式开发环境的建立 以及应用程序的开发，包括设备驱动程序的开发。具体而言需要做如下工作： 1 方案设计和硬件选型 根据项目开发的需要选取合适的核心芯片，并设计出合适方案。采用以s 3 c 2 4 1 0 x 和f p g a 可编程逻辑器件为核心芯片，a r m 负责数据的读出和传输控制，f p g a 负责 完成多通道数据的并行写入。 嵌入式l i n u x 在远程数据采集中的应用研究 2 硬件开发平台搭建 在熟悉各芯片的工作特点和性能的前提下，完成硬件电路设计。包括调理电路、微 处理器与外围器件连接电路等。需要说明的是硬件电路是分工完成的，调理电路和f p g a 部分不是自己的研究内容，论文因此对涉及上述部分的内容均没有论述。 3 软件开发环境建立 包括嵌入式操作系统的选择以及开发环境的建立，涉及的内容较多。本论文选择嵌 入式l i n u x ，并在建立了相应的开发环境，包括交叉编译环境建立、内核裁减和文件系 统移植等工作。 4 设备驱动程序和应用程序开发 选择嵌入式l i n u x 能够为后续开发提供良好的软件开发平台，减少应用程序开发工 作量，但同时也需要开发必要的的设备驱动程序，增加了一定的工作量。由于本文中使 用了双口r a m 和c s 8 9 0 0 a 网络芯片，所以需要为其编写设备驱动程序。应用程序的设 计也是本次开发任务的重要组成部分，完成数据的读取以及远程传输。 完成此课题的难点主要在于： 本课题涉及的知识面广，需要掌握多方面的知识。具体有l i n u x 操作系统的使用及 其裁减、移植、设备驱动程序设计、计算机网络编程以及多线程编程技术等，对a r m 单片机也需要一定的了解。整个开发过程需要涉及到硬件电路设计、调试和软件设计两 方面的工作，工作量较大。 1 4 小结 本章在介绍了嵌入式系统的概念，组成、开发流程和应用前景之后，对本课题的提 出、意义以及主要研究任务也作了进一步的介绍。 凡是与产品结合在一起并且具有嵌入式系统特征的系统都可以称为嵌入式系统；其 应用前景非常广阔。对设备状态监测与故障诊断引入在线系统，是设备现代化维修的一 个发展方向。其下位机部分是整个系统一个重要组成，其主要工作就是为在线系统提供 真实的运行状态数据，包括数据的实时采集与远程传输。 作者主要负责传输部分的工作。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 嵌入式操作系统 2 1 操作系统的概念和分类 2 1 1 操作系统的定义与分类 计算机系统的组成是由硬件和软件组成。硬件的含义就是所能接触到的个体，这是 计算机运行的物质条件，包括存储器、处理器以及各种输入、输出设备等；软件则是指 计算机中运行的各种按照某些规则组合而成的数据或者程序的集合体。正是在软件的指 导下硬件设备才能有次序的进行工作，完成我们所需要的功能或者应用要求。 不同的书籍对操作系统的定义不尽相同，给出一个精确的定义也并非轻而易举。综 合起不同书籍的定义。通常把操作系统定义为用以控制和管理计算机系统资源，方便用 户使用的程序和数据结构的集合【s 】。 显然操作系统属于软件部分，但它不用于一般的应用软件目的，它工作在硬件和用 户或者应用软件之间。用户正是通过操作系统来对硬件资源、应用软件或者程序进行管 理，实现期望的功能。 操作系统一般分为以下五大类：批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、 网络操作系统和分布式操作系统。这里仅对与本文有关的实时操作系统作以介绍。 实时操作系统是一种能在限定的时间内对数据进行快速处理并作出响应的计算机 处理系统。根据对响应时间限定的严格程度，实时系统可分为硬实时系统和软实时系统。 一个硬实时系统是必须满足其灵活性接近零死线( d e a dl i n e ) 的实时系统。死线必 须满足，否则就发生灾难。这种灾难是极大的并且危及人的生命。死线之后得到的计算 结果或是零级无用，或是高度贬值，因为在系统产生响应之前，时间从丢失的死线进一 步流失。 一个软实时系统是必须满足死线要求的，但它是有一定灵活性的实时系统。死线可 以包含可变的容忍等级、平均的时间死线，甚至是带不同程度的可接收性的响应时间的 统计分布。在软实时系统中，死线的丢失不会导致系统失败；但是，根据应用的性质， 代价会随延迟时间成比例增加唧。 2 1 2 嵌入式操作系统定义与分类 在嵌入式应用中，为了使嵌入式开发更方便、快捷，就需要具备相应的管理存储器 分配，中断处理、任务问通信和定时器响应，以及提供多任务处理等功能的稳定的、安 全的软件模块集合，即嵌入式操作系统( e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ) 。 嵌入式l i n u x 在远程数据采集中的应用研究 嵌入式操作系统负责系统的全部软件、硬件资源的分配、调度、控制、协调；它必 须体现其所在系统的特征，能够通过加载卸载某些模块来达到系统所要求的功能f l 】。 由于嵌入式操作系统应用的硬件资源远没有通常的操作系统丰富，因此一般嵌入式 系统占用系统资源较小，且一般可以根据需要进一步裁减，使其体积进一步减小。正因 为其体积的可裁减性，因而应用非常广泛。尽管不同的场合对嵌入式操作系统的要求会 有所不同，但是这些操作系统的主要功能仍然是提供一些系统服务供应用程序调用，包 括文件系统、内存管理、i o 管理、中断服务等，和通常意义上的操作系统也是一致的。 嵌入式操作系统也分为硬实时和软实时，其含义与上文介绍的定义一致。一般而言， 嵌入式操作系统属于实时操作系统，至少是软实时操作系统。 2 2 几种嵌入式操作系统 2 2 1u c 0 s u c o s 是一个典型的实时操作系统，该系统从1 9 9 2 开始发布，目前出现了第二版 本( u c o s i i ) 。其特点是源码公开，代码结构简单、清晰、简短，可移植性好、裁减 容易、可固化等优点，属于可抢占式的嵌入式操作系统，目前可以支持“个任务。该 系统短小精悍，是在p c 机上完成开发和测试，但其实际对象是嵌入式系统，并且很容 易移植到不同的处理器上【1 0 1 。 严格地讲，u c o s 1 1 只是一个实时操作系统内核，它只包含任务调度、任务管理、 时问管理、内存管理和任务通信以及同步等功能，没有提供输入输出管理、文件系统管 理以及网络等功能。但由于其可扩展性较好，所以这些功能可以由用户自己来实现【l 。 该系统在国内高校应用和教学较多，但在国外应用较为广泛。 2 2 2w i n d o w sc e w i n d o w sc e 系统是微软公司涉足嵌入式操作系统的产品，但不是简单的将 w i n d o w s 版本的缩小，而是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多 任务的操作系纠，主要应用于p d a 和智能电话等产品 随着嵌入式操作系统领域日益竞争激烈，微软不得不和来自开源的l i n u x 系统带来 的巨大冲击。尽管w i n d o w sc e 系统能够提供良好的人机交换界面和较快的开发速度， 但是由于该系统收取费用，致使产品的成本急剧提升。这是它与l i n u x 系统无法比拟的， 但是微软的w i n d o w sc e n e t4 2 版本中，将增加一项授权价仅3 美元的精简版本 w i n c e n e t ，其基本功能包括实时o s 核心、档案系统以及蓝牙等联网功能。微软推出低 大连理工大学硕士学位论文 价版本的w i n c e n e t 主要是看好语音电话、w l a n 的无线桥接器和个性化视听设备的 成长潜力。目前w i n d o w sc e 的最新版本是5 0 。 2 2 3v x w o r k s 鼎鼎有名的v x w o r k s 是风河公司专门为嵌入式系统设计开发的操作系统软件，为 程序员提供了高效的实时任务调度、中断管理、实时的系统资源以及实时的任务间通信。 应用程序员可以将尽可能多的精力放在应用程序本身，而不必再去关心系统资源的管理 【1 3 1 。该系统主要应用在单片机、数据网络和通信等多方面。其核心功能主要有：微内核 w i n d 、任务间通信机制、网络支持、文件系统和i o 管理以及c + + 等标准支持等【”。 这些核心功能可以与风河系统的其他附件和t o r n a d o 合作伙伴的产品结合在一起使用。 尽管这是一个非常优秀的实时系统，但其昂贵的价格却使很多厂商无法接受，主要客户 是那些对系统健壮性和实时性要求特别高的军工领域。目前最新版本是6 0 。 2 3l i n u x 与嵌入式l i f l u x 2 3 1l i f l u x 操作系统 l i n u x 操作系统诞生于1 9 9 1 年，现在已经成为当今世界上使用最多的一种类u n i x 类操作系统，且使用人数还在迅猛增长。其主要发展历程或支柱作用分别是如下几爪【l 】： 1 u n i x 操作系统1 i n 于1 9 6 9 年诞生在b e l l 实验室，l i n u x 就是u n i x 的 一种克隆系统。 2 m i n i x 操作系统- m n i x 操作系统也是u n i x 的一种克隆系统，它于1 9 8 7 年由著名计算机教授a n d r e ws t a n e n b a u m 开发完成。由于m i n i x 系统的出现 并且提供源代码( 只能免费用于大学内) ，在全世界的大学中刮起u n i x 的系 统旋风。l i n u x 刚开始就是参照m i n i x 系统于1 9 9 1 年开始开发。 3 g n u 计划开发l i n u x 操作系统，以及l i n u x 上所用的大多数软件基本上 都自g n u 计划。l i n u x 只是操作系统的一个内核，没有g n u 软件环境，则l i n u x 将寸步难行。 4 p o s i x 标准该标准在推动l i n u x 系统以后朝着正规路上发展起着重要作 用，是l i n u x 前进的灯塔。 5 i n t 锄竹一如果没有i n t e r n e t 网，没有遍布全世界的无数计算机黑客的无私奉 献，那么l i n u x 最多只能发展到o 1 3 版的水平。 l i n u x 的主要特点有 1 , 1 4 - 1 5 】： 开放性 嵌入式l i n t t x 在远程数据采集中的应用研究 系统开发遵循世界标准规范，可以和遵循同样标准的硬件兼容，方便互联。同时， l i n u x 采用g p l 授权，除了源码公开之外，其内核采用模块化设计，容易裁减。 多用户和多任务 多用户是指该系统可以同时被不同用户使用，互不影响。多任务是指该系统可以同 时运行多个相互独立的任务或者应用程序。 稳定性强 l i n u x 属于开源的，世界上自由软件者都愿意为其投入精力来进行核心的开发、改 经、调试等工作，因而出现了稳定度很高的l i n u x ，所以尽管它不是一个商业产品，也 没有专门的机构为其进行系统的开发，但其品质却不逊于任何商业操作系统。 设备独立性 设备独立性是指操作系统把所有的外部设备统一当做文件看待，只要安装它们的驱 动程序，任何用户都可以像使用文件一样，操纵、使用这些设备，而不必知道它们的具 体存在形式。l i n u x 是具有设备独立的操作系统，它的内核具有高度适应能力。由于其 源码开放，因此用户也可以根据自己的喜爱而添加新增设备的驱动程序。 丰富的网络功能 完善的内置网络是l i n u x 的一大特点。l i n u x 在通信和网络功能方面优于其他操作 系统。常见的几种操作系统都不包含如此紧密地和内核结合在一起的连接网络的能力， 也没有内置这些联网特性的灵活性。而l i n u x 为用户提供了完善的。强大的网络功能， 包括支持i n t e r a c t 、文件传输和远程访问。 可靠的系统安全 在l i n u x 系统中采取了许多安全技术措施，包括对读、写进行权限控制、带保护的 子系统、审计跟踪、核心授权等，这些措施为网络多用户环境中的用户提供了必要的安 全保障。 良好的可移植性 可移植性是指将一个操作系统从一个平台转移到另一个平台，并使它仍然能按其自 身的方式运行的能力。l i n u x 一开始是基于i n t e l3 8 6 机器设计的，但是随着网络的散布， 加上许多工程师致力于各种平台的移植，使得该操作系统能在目前所有的处理器上使 用，包括嵌入式类型的处理器。这一点也为在嵌入式方面的应用打下良好的基础。 应用软件众多 自由软件世界软件众多，而且授权均采用g p l 方式，所以大家都可以参考和传播， 这也进一步促进了自由软件的发展。尽管这些软件的开发是出于兴趣，不能保证软件完 全没有问题，但是仍有众多口碑极好的应用软件不断的出现，例如k d e 。 大连理工大学硕士学位论文 2 3 2 嵌入式l i n u x 操作系统 在所有的操作系统中，l i n u x 是发展最快、应用最为广泛的。由于l i n u x 的源码开 放和设备独立性以及良好的移植性等特点，开发人员将l i n u x 系统进行相应的裁减和改 进就可以应用到嵌入式处理器上，但是由于各类嵌入式处理器的资源不一，实时性要求 也不同，因而对l i n u x 的裁减和相关的技术性改造也就不一样【1 6 】。 在没有内存管理单元( m ，) 的微处理器中，最初只能运行一些很简单的单任务 操作系统，或者简单的控制程序，甚至没有操作系统系统面直接运行应用程序。这样要 求设计人员对硬件相当熟悉，因此也阻碍了嵌入式系统的应用和发展。 由于标准的l i n u x 内核采用了虚拟内存管理技术，这样可以提到系统运行的效率 1 1 7 1 。但是因此需要处理器上有内嵌的内存管理单元( m m u ) 的支持。因此，在许多没 有h 伽叫的处理器中应用标准的l i n u x 显得不太恰当，甚至因为虚拟管理内存技术的存 在给应用造成了一定的困难。因此，为了解决上述问题而开发出一种新的嵌入式操作系 统1 l c l i n u x 。 该系统是为微控制领域而量身定做的l i n u x 版本，源代码完全开放，完全符合 g n u g p l 。其设计的基本思想是针对现有的无m m u 的处理器而对标准内核进行裁减， 去除虚拟内存管理部分代码，并且对内存分配进行优化，从而提高了系统运行的效率， 减小系统的体积的同时也保留了l i n u x 系统稳定、良好移植性和优秀的网络功能以及对 各种文件系统支持的功能【i 羽。 同样因为没有加懈j 的支持，该系统能对内存单元进行直接的读写，因此当有非法 的内存地址的时候，系统可能运行不平稳甚至崩溃，这也要求对系统中的应用程序进行 良好的设计来保证系统运行的健壮性和安全性。 在有m m u 的微处理器中使用l i n u x 系统同样也需要进行裁减，这样才能满足外围 硬件的限制，针对不同的开发设计的要求，进行裁减和改进的方式也不一样。现在常见 的l i n u x 改进或者裁减的版本包括以下几个。 一是仅对标准的内核进行一些简单的裁减，将不需要的功能支持从内核中剥离出 去，留下仅含有必要功能的精简的内核。这种经过设计人员有针对性的裁减而得到的 l i n u x 即是常说的嵌入式l i n u x 。该系统能满足实时性要求不是很高的场合，能个性化地 根据需求很快的进行开发，应用较为广泛。 二是针对标准内核进行裁减和改进。这样不但保留了原有系统的优点，又对其实时 性不高的特点进行了改进。例如r t l i n u x ，它是一个硬实时特性的多任务操作系统，它 是通过底层对l i n u x 实施改造的产物。标准的l i n u x 内核是不可抢占式的，因而无法保证 硬实时，而r t l i n u x 内核在没有重写内核的情况下将标准的l i n u x 的核心进行作为一个一 嵌入式l i n u x 在远程数据采集中的应用研究 个优先级较低的进程来实现可抢占性【1 9 1 。开发人员的应用进程优先级更高因而可以保证 其硬实性。其他的版本还有m o n t a v i s t al i n u x 操作系统【堋等。这些系统都在实时性上比 一般意义上的嵌入式系统具有更高的优越性。 众多优良的特性使得l i n u x 系统内核可以裁剪得非常小巧，很适合于嵌入式系统的 需要。近年来，由于嵌入式l i n u x 操作系统特有的优点【2 1 1 ，嵌入式l i n u x 操作系统已经 受到了业界的极大关注瞄之3 1 。 2 4 编译与调试技术 2 4 1 交叉编译 在嵌入式系统开发过程中，一般的开发流程是在普通电脑上编写嵌入式系统中使用 的应用程序或者设备驱动程序以及内核的裁减编译等工作。用来开发嵌入式软件或者应 用程序的普通电脑一般称为宿主机系统( 简称宿主机) ；被开发的嵌入式系统称为目标 机系统( 硬件称为目标机) 2 4 1 。 交叉编译就是在宿主机上对期望运行在目标机的应用程序进行编译，生成可在目标 机上运行的代码格式。采用交叉编译的原因在于多数嵌入式目标机不能提供足够的资源 供编译过程使用，因而将编译工作转移到高性能的宿主机中进行，便捷迅速地完成系统 开发的任务。这样就需要在宿主机上建立一个交叉编译的环境。 设计开发一个编译器往往需要至少耗时数年以上，因此移植一个现有的优良编译器 不失为一个快速有效的方法。o c c ( g n uc o m p i l e rc o l l e c t ) 具备高度可移植性，生成的代 码质量非常高，可以很好地解决上述问题，非常适合为嵌入式系统提供编译支持 2 6 1 。但 是在嵌入式开发中需要针对不同的硬件平台进行编译，因此需要在宿主机上对不同的目 标机安装交叉编译工具，其详细的过程见4 2 1 。 交叉编译以及应用程序开发都需要m a k e 这个必不可少的工具。其主要的工作就是读 取m a k e f i l e 文件的内容。该文件描述了目标文件之间的依赖关系，以及指定编译过程中 使用的工具。同时，l v l a k e 检查目的文件的时间戳，如果目的文件的时间戳( 该文件生成 或被改动时的时间) 至少比它的一个依赖文件旧，那么m a k e 就执行相应的命令，以便更 新目的文件【9 】。m r k e 的功能在开发中表现为当若干源文件编译成一个可执行程序的时， 该工具可以迅速地按照指定的依赖关系和指定编译工具进行编译，节省大量的时间，一 旦某个文件修改后也能迅速重新编译。m a k e f i l e 的规则很多，功能也非常强大，这里不 做详细介绍。 典型的交叉平台开发环境如图2 1 所示【8 】。 大连理工大学硕士学位论文 图2 1 典型的交叉平台开发环境 f i 9 2 i t y p i c a lc r o s s - p l a t f o r md e v e l o p m e n tc o m p o t m d i n g 由图中可以看出宿主机和目标机的连接方式有串口、网络接口和j t a g 接口三种方 式。串口方式一般用于软件调试阶段，输入调试指令和输出调试信息；j t a g 用于代码 的固化，使用该接口和宿主机上的专用烧写软件将宿主机程序固化到目标机的r o m 或者 f l a s h 中；网络接口则在嵌入式系统进行宿主机和目标机之间的通讯和文件共享等功 能，常见的共享方式有网络文件系统( n f s ) 和简单文件传输协议( t n 啤) 两种方式。 2 ，4 2 软件调试 如上文中介绍，宿主机和目标机的硬件连接中的串口和网络接口可以用来进行软件 的调试。当应用程序下载到目标机上以后，由于一般的目标机没有相应的输入输出设备， 因此要想进行调试，必须通道宿主机来完成。通道串口，将调试指令传送给目标机，并 将调试结果传送给宿主机显示出来，便于调试人员及时了解程序的运行情况f 2 5 】。在l i a u x 系统中的软件调试过程，多采用r n i i t l i c o m 来完成宿主机和目标机之间的通信；在w m d o w s 系统中也有相应的软件来进行宿主机和目标机之间的通信，比如系统自带的超级终端和 s e c u r ec r t 等软件。通讯的之前需要对相应的传输协议进行设置，目标机和宿主机只有 在相同的协议下才能进行通讯。 在l i n u x 系统中，经常用到一个强大的软件调试工具。它是叫g d b 的g n u 调试 程序，用来调试c 和c + + 程序的强力调试器。它可以用来在程序运行时观察程序的 内部结构、变量和内存的使用情况。通常，g d b 调试器和被调试的程序通常运行在一个 系统里面的。如果被调试的的程序运行在目标机上，那么g d b 所在的计算机是无法运行 该程序的，此时就可以使用g d b 的远程调试功能，通过网络接口或者串口将目标机与宿 主机连接起来进行软件的调试【2 7 l 。 嵌入式l i n u x 在远程数据采集中的应用研究 2 5 小结 本章首先介绍了操作系统的定义和分类；在明确了实时操作系统的定义的基础上引 入了嵌入式操作系统。简要介绍和比较目前市场上较为活跃的三种嵌入式操作系统 u c o s 、w i n d o w c e 和v x w o r k s 之后，对目前发展最为迅速的操作系统l i n u x 进行了分 析和介绍，研究了其在嵌入式领域的应用的诸多优点和实施的可能性。对l i n u x 系统进 行裁减和改进同样可以在嵌入式领域发挥其优异的性能，满足实时应用的需要。最后对 嵌