嵌入式系統(tǒng)在閘門控制中的應(yīng)用

摘要: 選擇Linux2.6作為嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)核,紹了其內(nèi)核和根文件系統(tǒng)的定制,以及圖形用戶接（GUI）的實現(xiàn)過程。以此為基礎(chǔ),設(shè)計了閘門控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) ,并給出了各功能模塊的實現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞: 嵌入式Linux; 內(nèi)核; 閘門控制

0 　引言
目前,國內(nèi)大多數(shù)閘門控制系統(tǒng)采用的是強電接觸器的硬接線方式 ,而且多為20世紀七八十年代的產(chǎn)品,已嚴重老化,達不到運行可靠性要求,存在著嚴重的安全隱患。同時,閘室多依河道而建 ,閘門間距少則近百米 ,多則上千米 ,因無法實現(xiàn)集中控制而使得閘門反應(yīng)速度慢 ,無法應(yīng)對諸如突發(fā)性大水等特殊情況。目前,閘室調(diào)水主要由工作人員靠經(jīng)驗?zāi)繙y,造成了水資源的大量浪費 ,如何提高閘門控制的智能化、實現(xiàn)閘門的集中控制,是急需解決的問題。
現(xiàn)代計算機技術(shù)的發(fā)展為解決上述問題提供了技術(shù)支持,尤其是Linux嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用。Linux系統(tǒng)具有體積小、可裁減、運行速度高、網(wǎng)絡(luò)性能良好等優(yōu)點 ,而且具有源碼公開、可以免費使用等特點,這些都使得Linux系統(tǒng)得以快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,并使嵌入式Linux系統(tǒng)在閘門控制中的應(yīng)用成為可能。隨著Linux2.6內(nèi)核的發(fā)布,在嵌入式系統(tǒng)市場 ,Linux向主流的實時操作系統(tǒng)供應(yīng)商提出了挑戰(zhàn),例如VxWorks和WinCE,它們具有許多新的特性,將成為更優(yōu)秀的嵌入式操作系統(tǒng)。
嵌入式Linux系統(tǒng)具有高性能、高可靠性 ,并具有多媒體電腦特點,特別適用于工業(yè)現(xiàn)場控制和遠程圖像監(jiān)控。
針對上述閘門控制中急需解決的問題以及嵌入式Linux系統(tǒng)的特點,本文對嵌入式Linux系統(tǒng)的閘門智能控制系統(tǒng)進行設(shè)計和探討。系統(tǒng)采用了先進的計算機傳感器技術(shù),對多路閘位、水位進行實時跟蹤顯示,并提供相應(yīng)的閘門閉環(huán)控制模型,使水資源利用率達到最優(yōu)。
1 　嵌入式Linux系統(tǒng)的構(gòu)建
1.1 　嵌入式閘門控制系統(tǒng)的主要性能要求
1）具有高可靠性、高響應(yīng)性 ,能在一定程度上達到或接近實時操作系統(tǒng)的性能。
2）系統(tǒng)整機能適應(yīng)較惡劣的工作環(huán)境,而且功耗低。
3）有一定的多媒體（圖像、聲音）處理能力。
4）有性能良好的圖形用戶接口（GUI）解決方案 ,以及方便、實用的人機接口。
5）系統(tǒng)有一定的伸縮能力,能支持通用的硬件設(shè)計。
針對上述性能要求,本設(shè)計將首先構(gòu)建一個基本操作系統(tǒng),并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建閘門控制系統(tǒng)[1]。

1.2 　操作系統(tǒng)平臺的選擇
在眾多主流嵌入式操作系統(tǒng)中選擇Linux2.6作為操作系統(tǒng)的內(nèi)核 ,主要基于以下考慮:
1）Linux是一個公開源代碼的操作系統(tǒng),可以形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的操作系統(tǒng)。
2）Linux采用微內(nèi)核結(jié)構(gòu),內(nèi)核部分（含進程調(diào)度、內(nèi)存管理、文件管理、設(shè)備驅(qū)動等）一般不大于1MB,即使加上小型的GUI系統(tǒng)也不會大于16MB,比較適合嵌入式系統(tǒng)的要求。
3）Linux2.6內(nèi)核引進了內(nèi)核搶占式的調(diào)度功能,因此 ,響應(yīng)時間相比以前的內(nèi)核有大幅度縮減。
4）Linux支持多種硬件體系結(jié)構(gòu)。在開發(fā)初期,為了縮短開發(fā)周期,可以先選擇支持x86的奔騰系列處理器平臺;后期在進行很少改動的前提下,就可移植到其他硬件平臺上。

1.3 　操作系統(tǒng)的開發(fā)流程
本系統(tǒng)的定制主要有2個部分:一是系統(tǒng)內(nèi)核及基本根文件系統(tǒng)的定制 ,二是GUI的實現(xiàn)[2]。

1.3.1 　系統(tǒng)內(nèi)核及根文件系統(tǒng)定制
定制一個4MB～8MB的基本Linux系統(tǒng),提供如下基本操作系統(tǒng)功能:多進程、多用戶;文件、內(nèi)存管理;用戶操作終端。這部分工作是后續(xù)系統(tǒng)定制和應(yīng)用軟件開發(fā)的基礎(chǔ)。
采用2.6版本以上內(nèi)核,在編譯中加入內(nèi)核搶占式調(diào)度功能、Ramdisk支持、中文字符集支持。根據(jù)文件系統(tǒng)只讀部分采用 Ext2 文件系統(tǒng) ,讀寫部分可采用Cramdisk等嵌入式文件系統(tǒng)。此部分的工作主要有:建立交叉編譯環(huán)境;剪裁內(nèi)核（這是一個反復(fù)的過程）;剪裁根文件系統(tǒng) ,建立運行環(huán)境,編寫各個運行腳本;提供基本硬件的支持。
1.3.2 　GUI的實現(xiàn)
基于X2Server定制一個16MB～32MB的X2Windows環(huán)境,能提供較豐富的GUI功能。提供一個系統(tǒng)自動運行的程序,使開機至工程啟動的時間控制在30s內(nèi),并在此基礎(chǔ)上提供中文輸入功能。GUI的實現(xiàn)是為基于此平臺的閘門控制軟件提供圖形庫操作接口,使得該軟件具有較好的人機交互界面。
此部分的工作主要有:編寫 X2Windows的各種配置文件;剪裁其不需要的程序,只保留基本程序;編寫X2Windows 的各個腳本文件[3]。
2 　系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
在本設(shè)計中 ,閘門控制系統(tǒng)由閘門操作、視頻采集和水情監(jiān)測3個部分組成?；窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)的核心硬件平臺選用基于PⅢ處理器以上的高性能嵌入式5.25英寸微型系統(tǒng)板,其自帶2個外設(shè)部件互連（PCI） 插槽 ,可外接一個32通道的DI/DO卡用做閘門啟閉機的控制,一個4通道的視頻捕捉卡用做閘門現(xiàn)場狀態(tài)的監(jiān)控;2個 RS2232的串行通信口,外接 RS2485 的轉(zhuǎn)換器后可分別連接閘位和水位傳感器,采集實時數(shù)據(jù);一個集成開發(fā)環(huán)境（IDE）接口,可接一個64MB的文檔對象模型（DOM）存儲卡,作為嵌入式操作系統(tǒng)、控制程序和采集數(shù)據(jù)的存儲介質(zhì);以及板載加速圖形端口（AGP）顯卡,可外接液晶顯示器（LCD）,用做閘門控制系統(tǒng)的顯示輸出和操作界面。
3 　閘門控制系統(tǒng)的開發(fā)
在對嵌入式Linux操作系統(tǒng)定制完成以后 ,就可基于定制平臺完成一個具有完備閘門控制功能的用戶軟件。完整的閘門信息管理系統(tǒng)由視頻采集壓縮模塊、水情測控模塊和閘門控制算法模塊組成。
3.1 　視頻采集壓縮模塊
視頻采集壓縮模塊的核心是由采集芯片BT878組成的PCI總線硬件卡,有1路/卡、4路/卡2種,通過組合可以實現(xiàn)多路視頻輸入和實時壓縮。系統(tǒng)選擇4路視頻捕捉卡并加裝云臺,對采集到的視頻信號采用畫面平均分割的方式同時顯示 ,也可選擇只顯示指定的視頻通道,并提供基本的顯示調(diào)節(jié)和云臺遠程操作功能,以此提供對閘門及河道的本地和遠程視頻監(jiān)視功能。
3.2 　水情測控模塊
水情測控模塊的主要任務(wù)是完成水位監(jiān)測、閘門升高及運行情況監(jiān)測、閘門運行開環(huán)/閉環(huán)控制、流量和過流水量的計算以及圖表的生成。閘門的控制除了計算機智能控制以外 ,同時還采用雙重手（本地和集中）控制 ,確保閘門控制萬無一失。在此模塊中,既要提供良好的人機交互界面,又要提供實時的流量與水量關(guān)系圖表。
在設(shè)計中,水情測控子系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集卡、水位傳感器、閘位傳感器、閘門控制單元、閘門本地集中控制柜和嵌入式主機構(gòu)成。
1）數(shù)據(jù)采集卡通過 PCI總線與主機連接 ,傳感器通過控制線直接與數(shù)據(jù)采集卡連接。主機定時采集水情數(shù)據(jù),并交給應(yīng)用程序后臺進行計算、存儲 ,以便在需要顯示時立即生成相應(yīng)的關(guān)系曲線。
2）各閘門控制單元通過控制線與DI/DO卡相連接。主機通過向DI/DO卡發(fā)出脈沖信號實現(xiàn)對閘門的控制。手動應(yīng)急控制采用2種方式:一是通過外置控制器集中對各閘門進行升、降、停的控制;二是通過閘門控制單元上的控制按鈕完成閘門的升、降、停的控制。
3.3 　閘門控制算法模塊[4]
閘門控制系統(tǒng)屬于典型的大滯后、多相關(guān)因素的非線性系統(tǒng),本設(shè)計采用模糊專家系統(tǒng)的算法方案對其進行智能控制?；镜目刂屏鞒蘙5]如圖2所示。

4 　結(jié)語
基于嵌入式Linux 操作系統(tǒng)開發(fā)的閘門控制系統(tǒng),比傳統(tǒng)的控制方式降低了功耗、提高了可靠性,減小了整個系統(tǒng)的體積,便于安裝調(diào)試,同時,使水資源利用率達到最優(yōu)。更重要的是,在整個軟件平臺上擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。

[1] 駱耀祖.Linux操作系統(tǒng)分析教程. 北京:清華大學(xué)出版社 ,2004.
[2] MosheBar.Linux文件系統(tǒng).天宏工作室,譯.北京:清華大學(xué)出版社,2003.
[3] 駱偉明.青溪水電廠閘門監(jiān)控系統(tǒng)改造. 水電自動化與大壩監(jiān)測,2008 ,32（3） :77280.
[4] 王立新.模糊系統(tǒng)與模糊控制教程.王迎軍,譯.北京:清華大學(xué)出版社 ,2003.
[5] 袁麗麗.大唐巖灘水力發(fā)電廠閘門計算機監(jiān)控系統(tǒng).水電自動化與大壩監(jiān)測,2007,31（4）:74276.

Abstract :Linux 2.6 is chosen as the kernel of an embedded operation system. The customization of its kernel and root file system , and the implementation of GUI are introduced. On this basis , the structure of a sluice control system is designed , and the implementation of each module is described.
Key words: embedded Linux; kernel; sluice control
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