基于嵌入式Linux的风力发电监控系统开发平台的构建

基于嵌入式Linux的风力发电监控系统开发平台的构建

为了适应不同的应用场合，同时考虑到计算机系统的灵活性、可伸缩性以及可裁剪性，一种以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪的嵌入式操作系统随之诞生。这种嵌入式系统能适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗要求严格的应用系统。而在众多嵌入式操作系统中，Linux以其体积小、可裁减、运行速度快、网络性能优良、源码公开等优点而被广泛采用。特别是2.6内核版本的Linux更是在实时性能方面有了很大的提高，因此在工业控制场合得到了越来越多的重视和应用。

本文正是在这一背景下，为基于S3C2410的嵌入式平台(扩充了多种外围设备，包括：LCD、A／D、网络芯片等等)构建出一个基于Linux2.6.16内核的嵌入式系统开发平台，以满足风力发电监控系统开发的需求。

1系统构架

本系统的硬件平台是以32位高性能嵌入式处理器S3C2410A作为系统的CPU，其工作频率最高为203 MHz，具有强大的处理能力。另外，还扩展有多种外围设备，如：分辨率为640×480的26万色TFT液晶显示屏、串口、USB口、网口、64MB Flash、64MB SDRAM等等。可以充分满足风力发电监控系统开发的需求。

本硬件平台的软件构架主要分为以下几个部分：BSP层、操作系统层以及应用层，图1所示是其软件构架图。本系统的硬件平台是由嵌入式微处理器及其外围设备所构成的。硬件抽象层(BSP)是存储在硬件平台ROM或Flash上的负责与硬件底层交流的硬件驱动程序，主要负责对系统进行初始化，并将收集的硬件信息传递到接下来运行的操作系统内核中去。操作系统内核通过BSP来管理系统硬件资源，并为上层软件提供进程调度、内存管理、文件系统、设备驱动等服务。应用层主要负责与用户进行交流。


在完成系统的构架设计以后，就可以针对硬件平台进行具体的构建了，其工作主要包括以下几个部分：BootLoader移植、内核移植以及文件系统的建立等，其中内核移植包括网络设备、LCD和USB等驱动的移植。文中针对本系统的设计给出了相关程序的移植。

2 BootLoader移植

BootLoader (引导加载程序)是系统加电后运行的第一段代码。这段小程序用于初始化硬件设备和建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。

目前，较流行的BootLoader主要有U-boot和Vivi等。本设计主要是以S3C2410为控制器的硬件平台，因此可以选用带有网络功能的Vivi作为系统的BootLoader。作为引导程序的Vivi一般分为stage1和stage2两大部分。stage1主要是根据CPU的体系结构进行设备初始化等工作，通常都用短小精悍的汇编语言来实现，而stage2则通常用C语言来实现，这样可以实现更加复杂的功能，且代码会具有更好的可读性和可移植性。为了使Vivi更适合本系统的硬件平台，设计时需要对其进行部分修改。

(1)修改编译器

首先要把Vivi中Makefile的有关编译的选项指向安装好的3.4.1版本的交叉编译工具链，将编译所需的Linux文件夹“UNUX-INCLUDE-DIR=”指向交叉编译器所在的文件夹“LINUX-INCLUDE-DIR=／usr／local／arm／3.4.1／include”，并将“CROSS-COMPILE=”项修改为“CROSS-COMPILE=／usr／local／arm／3.4.1／bin／arm-linux-”。

(2)修改启动参数

接着根据硬件平台的实际情况要修改Vivi中Flash分块情况。本系统将Flash划分成四个部分：第一部分用来存放系统的Vivi：第二部分用来存放Vivi以及Linux操作系统的启动参数；第三部分用来存放嵌入式Linux操作系统；最后一部分用来存放文件系统。具体的地址及块大小分配如表1所列。


修改完以上两项就可以对Vivi进行编译了，之后通过JTAG将生成的二进制代码烧写到Flash的第一部分，即完成了Vivi的移植。

3内核移植

内核移植和BootLoader移植一样要根据设计的硬件平台来进行。根据本嵌入式系统硬件平台的设计，需修改内核Makefile文件、设置Flash分区、配置与编译内核等，并完成网络设备、LCD以及USB等驱动的移植，下面简单介绍一下针对本硬件平台的相关移植工作。

(1)内核编译与移植

在交叉编译内核之前，要先对编译选项进行配置。执行“make menuconfig”指令，进人Syetem Type选项，选择对S3C2410系统板的支持，然后配置File System和Block device，接下来使用“make dep”指令设置依赖关系，之后便可以使用“make zImage”指令进行编译。编译内核交叉编译时间相对较长。最终会生成一个文件zImage，这就是编译成功后的ARM Linux内核文件。将编译好的内核镜像文件写入到Flash中，即完成了内核的移植。

(2)网络设备移植

系统中采用CS8900A作为网络芯片，最高支持10 Mb／s的传输率，它使用S3C2410的nGCS3作为片选线，IRQ_EINT9作为外部中断信号线。其驱动移植方法如下：

1)在linux／driver／net／arm目录下加入芯片的驱动程序文件cs8900．h和cs8900．c：

2)在smdk2410_init函数中完成相应寄存器设置；在cs8900_probe()函数中对S3C2410的网络控制寄存器进行设置：加入_raw_writel(0x221ldll0,S3C2410_BWSCON)；和_raw_writel(0x1f7c,S3C2410_BANKCON3)；两个语句；

3)将网卡的物理地址(0x19000000)映射到vSMDK2410_ETH_IO所指向的虚拟地址上去，即在／arch／arm／mach-s3c2410／mach-smdk2410．c文件中的smdk2410_iodesc []结构数组中添加如下内容：{vSMDK2410_ETH_IO，0x19000000，SZ_1M，MTl_DEVICE}；

4)配置网络设备驱动的Makefile、Kconfig文件，并对头文件做部分修改。

(3) LCD移植

在2.6.16内核中已经包含了S3C2410的LCD驱动程序，因此，移植的主要工作是要根据驱动程序及LCD屏的实际情况进行初始化。S3C2410自带5个LCD控制器，每个控制器有不同的功能，必需对每个控制器的参数进行相应的设置才能顺利地启动LCD，这些参数包括：液晶屏类型(TFT屏或CSTN屏)、颜色位数、垂直度、水平度、控制信号线的极性以及液晶屏的分辨率等等。

本系统采用的是SHARP 8.0英寸的TFT液晶屏。参考该液晶屏手册，根据实际情况设置各个寄存器的参数如表2所列。


设置好液晶屏的参数后，再在平台初始化函数smdk2410_devices[]_initdata中启动液晶屏。最后，修改drivers／video目录下的Kconfig和drivers／video目录下的Makefile文件。

4文件系统建立

每种操作系统都有适合自己的文件系统，如：Windows一般采用FAT32或NTFS文件系统格式，Linux采用EXT2或EXT3文件系统格式，而嵌入式Linux操作系统是建立在一种称为YAFFS2(YAFF文件系统的改进版)的针对嵌入式Linux的文件系统之上。因此可根据本系统的硬件平台设计及所采用的Linux内核。构建出YAfTS2文件系统，步骤如下：

(1)在内核中建立YAFFS2目录fs／yaffs2，并把下载的YAFFS2代码(可以从网上下载开源的YAFFS2的源码)复制到该目录下面；

(2)修改Kconfig和Makefile，使其可以配置YAFFS2；

(3)在YAFFS2目录中生成Makefile和Kconfig文件；

(4)根据表1在内核中修改NAND分区；

(5)配置内核时，应选中MTD支持和YAFFS2支持；

(6)编译内核并将其下载到开发板的Flash中；

(7)制作根文件系统下载到Flash的指定地址(地址如表1所示)。

至此，就搭建好了风力发电监控系统开发所需要的软硬件平台。图2所示是基于搭建好的平台并使用Qt／Embeded开发的风力发电监控系统的截图。



5结束语

本文根据一个特定的目标平台，介绍了如何构建基于Linux 2.6.16的嵌入式开发平台，介绍了移植的主要技术和整个流程，并在Qt／Embedd下开发了风力发电监控软件。掌握这些移植和开发技术，对于开发嵌入式Linux应用系统十分重要，同时对于开发其它类型的嵌入式系统也具有一定的参考意义。