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摘要: 選擇Linux2.6作為嵌入式操作系統的內核,紹了其內核和根文件系統的定制,以及圖形用戶接（GUI）的實現過程。以此為基礎,設計了閘門控制系統的結構 ,并給出了各功能模塊的實現方法。
關鍵詞: 嵌入式Linux; 內核; 閘門控制

0 　引言
      目前,國內大多數閘門控制系統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 ,因無法實現集中控制而使得閘門反應速度慢 ,無法應對諸如突發性大水等特殊情況。目前,閘室調水主要由工作人員靠經驗目測,造成了水資源的大量浪費 ,如何提高閘門控制的智能化、實現閘門的集中控制,是急需解決的問題。
      現代計算機技術的發展為解決上述問題提供了技術支持,尤其是Linux嵌入式系統的發展與應用。Linux系統具有體積小、可裁減、運行速度高、網絡性能良好等優點 ,而且具有源碼公開、可以免費使用等特點,這些都使得Linux系統得以快速發展和廣泛應用,并使嵌入式Linux系統在閘門控制中的應用成為可能。隨著Linux2.6內核的發布,在嵌入式系統市場 ,Linux向主流的實時操作系統供應商提出了挑戰,例如VxWorks和WinCE,它們具有許多新的特性,將成為更優秀的嵌入式操作系統。
      嵌入式Linux系統具有高性能、高可靠性 ,并具有多媒體電腦特點,特別適用于工業現場控制和遠程圖像監控。
      針對上述閘門控制中急需解決的問題以及嵌入式Linux系統的特點,本文對嵌入式Linux系統的閘門智能控制系統進行設計和探討。系統采用了先進的計算機傳感器技術,對多路閘位、水位進行實時跟蹤顯示,并提供相應的閘門閉環控制模型,使水資源利用率達到最優。
1 　嵌入式Linux系統的構建
1.1 　嵌入式閘門控制系統的主要性能要求
      1）具有高可靠性、高響應性 ,能在一定程度上達到或接近實時操作系統的性能。
      2）系統整機能適應較惡劣的工作環境,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）系統有一定的伸縮能力,能支持通用的硬件設計。
      針對上述性能要求,本設計將首先構建一個基本操作系統,并在此基礎上構建閘門控制系統[1]。

1.2 　操作系統平臺的選擇 
      在眾多主流嵌入式操作系統中選擇Linux2.6作為操作系統的內核 ,主要基于以下考慮:
      1）Linux是一個公開源代碼的操作系統,可以形成具有自主知識產權的操作系統。
      2）Linux采用微內核結構,內核部分（含進程調度、內存管理、文件管理、設備驅動等）一般不大于1MB,即使加上小型的GUI系統也不會大于16MB,比較適合嵌入式系統的要求。
      3）Linux2.6內核引進了內核搶占式的調度功能,因此 ,響應時間相比以前的內核有大幅度縮減。
      4）Linux支持多種硬件體系結構。在開發初期,為了縮短開發周期,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 　操作系統的開發流程
      本系統的定制主要有2個部分:一是系統內核及基本根文件系統的定制 ,二是GUI的實現[2]。

1.3.1 　系統內核及根文件系統定制
      定制一個4MB～8MB的基本Linux系統,提供如下基本操作系統功能:多進程、多用戶;文件、內存管理;用戶操作終端。這部分工作是后續系統定制和應用軟件開發的基礎。
      采用2.6版本以上內核,在編譯中加入內核搶占式調度功能、Ramdisk支持、中文字符集支持。根據文件系統只讀部分采用 Ext2 文件系統 ,讀寫部分可采用Cramdisk等嵌入式文件系統。此部分的工作主要有:建立交叉編譯環境;剪裁內核（這是一個反復的過程）;剪裁根文件系統 ,建立運行環境,編寫各個運行腳本;提供基本硬件的支持。
1.3.2 　GUI的實現
      基于X2Server定制一個16MB～32MB的X2Windows環境,能提供較豐富的GUI功能。提供一個系統自動運行的程序,使開機至工程啟動的時間控制在30s內,并在此基礎上提供中文輸入功能。GUI的實現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 　系統的硬件結構
在本設計中 ,閘門控制系統由閘門操作、視頻采集和水情監測3個部分組成。基本結構如圖1所示。

      系統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英寸微型系統板,其自帶2個外設部件互連（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場狀態的監控;2個 RS2232的串行通信口,外接 RS2485 的轉換器后可分別連接閘位和水位傳感器,采集實時數據;一個集成開發環境（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、控制程序和采集數據的存儲介質;以及板載加速圖形端口（AGP）顯卡,可外接液晶顯示器（LCD）,用做閘門控制系統的顯示輸出和操作界面。
3 　閘門控制系統的開發     
      在對嵌入式Linux操作系統定制完成以后 ,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,通過組合可以實現多路視頻輸入和實時壓縮。系統選擇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節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視功能。
3.2 　水情測控模塊
      水情測控模塊的主要任務是完成水位監測、閘門升高及運行情況監測、閘門運行開環/閉環控制、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系圖表。
      在設計中,水情測控子系統主要由數據采集卡、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成。
      1）數據采集卡通過 PCI總線與主機連接 ,傳感器通過控制線直接與數據采集卡連接。主機定時采集水情數據,并交給應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的關系曲線。
      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卡發出脈沖信號實現對閘門的控制。手動應急控制采用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]
       閘門控制系統屬于典型的大滯后、多相關因素的非線性系統,本設計采用模糊專家系統的算法方案對其進行智能控制。基本的控制流程[5]如圖2所示。

4 　結語
      基于嵌入式Linux 操作系統開發的閘門控制系統,比傳統的控制方式降低了功耗、提高了可靠性,減小了整個系統的體積,便于安裝調試,同時,使水資源利用率達到最優。更重要的是,在整個軟件平臺上擁有自主知識產權。

  參 考 文 獻

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