嵌入式通用通信管理装置的设计与研究

林永钦

摘 要：本文提出了一种基于嵌入式技术的通用通信管理装置设计方案。整套方案中通过对嵌入式Linux操作系统以及嵌入式控制PC操作平台的合理应用，面向外部提供以太网接口（1个）、标准串行工作接口（8个）、以及CAN现场总线接口（1个），可在各个领域计算机监控系统的各个通信环节中加以应用，具有良好的可靠性以及通用性，值得引起重视。

關键词：嵌入式技术；通信管理装置；设计

中图分类号：TP368 文献标识码：A

0.引言

当前通信管理装置为满足功能需求，面向以太网、现场总线等提供了多种对外连接方式，软件方面则多搭载多任务嵌入式系统实现对不同通信接口的独立编程并支持信息的交互式连接。但由于此类通信管理装置的运行必须在上位机安装目标机的虚拟环境，导致内存占用巨大，加之组态调试功能的实现必须以虚拟环境为依托，因此也增加了现场运行人员的操作难度。所以，如何研究实现一种可适宜网络以及现场总线技术发展方向，无须进行二次开发的通用型通信管理装置已成为业内人士高度重视的一项课题。

1.嵌入式通用通信管理装置基本原理

整套通用通信管理装置主处理器选用工业级PC104嵌入式控制PC，系统软件选用嵌入式Linux系统，面向外部提供以太网接口（1个）、标准串行工作接口（8个）、以及CAN现场总线接口（1个）。

系统CPU采用基于X86的CPU工作模块，提供标准ISA总线，CPLD选型为EPM3256，共配置144个引脚以及256个宏单元，完全可满足嵌入式设计的实际需求。在CPLD编译码处理基础之上生成包括串口控制器、地址芯片以及CAN控制器等在内的片选信号。电源模块选型为APC086-005A模块，输出参数为5VDC/4A，输入参数为220VDC/AC。

2.嵌入式通用通信管理装置硬件设计

在硬件设计方面，引入嵌入式技术背景下，通用通信管理装置的硬件结构中主要体现以下技术：第一，整套通用通信管理装置硬件结构内部选用PC104嵌入式控制PC装置，该PC装置结构高度集成，与IBM-PC/AT有良好兼容性，且功耗低、体积小，有良好的适应性。同时，通信通道选用相互独立的电路设计以及中断设计方案，运行性能安全可靠；第二，以嵌入式技术下的Linux操作系统作为通用通信管理装置的软件平台，利用中央处理器在任务切换方面的功能优势，可支持多任务环境下通用通信管理装置的高效运行，具有良好的运算速度以及通信处理能力；第三，通用通信管理装置以固态电子盘作为储存介质，能够避免硬盘转动部件运行中存在的不可靠性，通过连接看门狗的方式，确保PC单机嵌入控制下具有良好的运行可靠性；第四，整套通用通信管理装置所配备相关通信接口均支持独立编程以及多种不同连接方式，能够根据实际应用场景满足不同功能需求。

3.嵌入式通用通信管理装置软件设计

整套通用通信管理装置开发环境选用嵌入式Linux开发系统，系统操作平台操作便捷稳定，内核小且多任务并存，具有确切应用优势。同时，基于Linux的操作平台还具有内核单一、源码公开的特点，内核中封装保存所有与系统相关的功能，且上述功能能够根据系统装置实际使用需求动态装入或卸载。经减载后整套Linux操作平台内核共包括以下几个部分：第一是内存管理模块，第二是进程管理模块，第三是进程间通信模块，第四是文件系统管理模块，第五是网络接口模块。硬件层主要功能实现面向应用程序提供统一操作接口，同时以与硬件无关的高层抽象层直接控制硬件资源；解释组件由文件系统类型以及网络协议构成，主要目的是使内核了解如何与特定设备实现结构化数据交互处理；应用程序层则面向装置提供实时性数据库，根据不同物理接口提供相对应的交互函数以及数据库存取函数，支持对串口通信驱动程序异常运行状态的监督，支持驱动软件以及整套通用通信管理装置的重启。在软件设计方面，应重点关注以下几个方面的问题：

3.1装置软件设计

整套通用通信装置采用结构化思想完成软件设计。基本思路是：首先完成通用通信装置系统内部相关硬件模块的驱动程序设计，在此基础之上增加管理机构对周期性运动驱动程序处理与调度任务负责，最后完成应用程序设计即可。通信装置内部软件包括任务模块程序、主程序、以及中断程序。主程序中初始化应完成包括设置通信口、读取源数据、设置通信存储缓冲区以及中断向量等工作任务；中断程序初始化应完成子程序定时中断、串口中断子程序等工作任务；任务模块程序初始化则应完成系统常规处理以及信息中断处理等工作任务。主程序在循环过程中获取通信管理装置中各个模块的数据信息，经集中处理后发送至相应缓冲区内，同时就SCADA以及RTU模块接收数据缓冲区中的相关指令进行处理。

基于Windows的操作系统平台支持下，软件开发语言选用Visual C++语言，搭载该编程语言实现梯形图编写任务、同时，利用编译程序构造工具生成与开发语言相对应的分析器，将分析器与VC开发环境相结合，编译梯形图源语言。

3.2在线调试模块

通用通信管理装置与PC单机的通信通过以太网接口连接方式实现，支持对各个串口规约脚本以及配置文件的下载。同时，通过控制各通信接口标准解释进程的方式，间接支持对梯形图的在线调试以及对通信接口的规约调试功能。

3.3跨平台应用

对于将嵌入式系统应用于内部的通信管理装置而言，为面向不同外部工作接口提供驱动软件支持，多需要搭载上位机Windows操作系统安装目标机虚拟环境以及开发语言包。在此基础之上，根据待通信设备所对应的通信规约要求编辑驱动软件源代码，并经交叉编译的方式生成目标机可执行代码。但在应用层中，由于厂家生产标准不尽相同，在跨平台应用中尚无具有通用性的规约或标准，因此研发人员必须在实际应用中根据厂家以及产品特点，对应不同软件规约并完成源码级的编译以及下载操作。针对该问题，本研究中引入嵌入式技术支持通用通信管理装置软件的设计，在梯形图基础之上完成对用户应用层通信规约的编程操作，搭载内嵌式技术实现对解释执行梯形进程的程序，待通信设备驱动通过可视化梯形组态方式进行编辑，在此基础之上生成二进制工作代码，在目标机中完成对代码的下载即可。

结语

本文上述分析中介绍了一种以嵌入式技术为核心的通用通信管理装置设计方案，在嵌入式技术的应用下，可支持梯形图进行规约编程，整套通用通信管理装置具有灵活性高、操作方便、步骤简单等优势，完全可满足通信管理装置与相关功能设备数据交互通信功能的实现，也能够支持相关设备与以太网以及现场总线的高效连接。嵌入式技术应用北京下，整套通用通信管理装置以梯形图作为开发语言环境，符合现行国际标准，可支持通信管理装置的跨平台应用，具有良好的推广应用价值与发展潜力。

参考文献

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