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一种基于ARM的Linux采 煤机管理主机系统

阅读：537发布：2024-01-19

专利汇可以提供一种基于ARM的Linux采煤机管理主机系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种基于ARM的Linux 操作系统在电磁调速采煤机电控系统管理主机中的设计，包括硬件电路、基于ARM的嵌入式Linux操作系统；所述硬件电路以AT91SAM9G25为核心，包括三个RS232 接口和一个以太网接口，完成管理主机与系统其他模块的通讯，同时具备USB接口，支持SD卡，以便实现信息转储。所述的Linux操作系统Fedora9.0是整个系统软件控制核心，需要根据电磁调速采煤机的需求完成Linux操作系统的移植，主要包括交叉编译环境的建立、引导加载程序BootLoader的移植、Linux 内核的移植、根文件系统的移植四部分。软件设计中编写了Modbus转发程序，完成管理主机与各模块的数据交互。整个系统结构简单，具有强大的本地和远程通讯扩展能力 ,可与多种智能工业设备连接,占用资源少，有利于系统的更新迭代，拓展系统应用范围。便于用户根据自身需求进行开发。，下面是一种基于ARM的Linux采煤机管理主机系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于ARM的Linux电磁调速采煤机管理主机系统，其特征在于，该系统包括硬件电路、基于ARM的Linux 操作系统；
所述硬件电路包括MCU模块、电源电路、各种通讯接口；所述基于ARM的Linux操作系统的系统软件包括Linux操作系统的移植、系统应用程序设计编写。
2.根据权利要求1所述的基于ARM的Linux操作系统的电磁调速采煤机管理主机系统，其特征在于：
(1)所述硬件电路的MCU模块是AT91SAM9G25芯片，它是基于ARM926EJ-S 内核，嵌入式微处理器单元，运行频率为400MHz。AT91SAM9G25是多层总线矩阵和高数据带宽架构设计。
具有2x8个DMA通道，以及专用的通信和接口外设的DMA，确保不间断的数据传输；芯片内部集成了许多外围设备接口，，支持USB主机，10/100以太网MAC，两个HS SD卡/SDIO/MMC接口，USART接口(SPI)等。
(2)所述存储器为Mini SD卡，具有掉电保存数据的能力，体积小巧，存储空间大；
(3)所述通讯接口包括RS232通讯接口、以太网接口和USB接口：所述RS232通讯接口有三个，其中第一个RS232接口支持Modbus协议，以便于管理主机和本地显示屏进行通信，管理主机作为Modbus主站，本地显示屏作为Modbus从站；第二个RS232同样支持Modbus协议，以便于管理主机和上位机进行通信，管理主机作为Modbus从站，上位机监控软件作为Modbus主站；第三个RS232接口用于输出Linux系统的调试信息；所述以太网接口用于远程组态；所述USB接口可以接USB摄像头、USB 键盘、USB 鼠标、优盘等常见的USB外设。
3.根据权利要求1所述的基于ARM的Linux操作系统的电磁调速采煤机管理主机系统，其特征在于：
所述基于ARM的Linux操作系统的移植的流程如下：
(1)根据目标的功能需求，分析嵌入式操作系统Linux应具备的基本功能和预留的扩展功能，然后进行硬件选型，选取合适的硬件资源，如ARM处理器类型、存储器容量等；
(2)构建交叉编译环境，包括安装交叉编译工具、交叉调试工具等；选择一台PC机作为宿主机，采用WINDOWS和Linux双系统，即在WINDOWS下安装虚拟机VMware，然后在虚拟机中安装Fedora 9.0操作系统，配置相应的服务，并建立、安装交叉编译工具，使宿主机的程序经过交叉编译后所形成的目标代码可以运行在目标版上；具体的交叉环境构建可分为Fedora 9.0的安装配置和gcc编译器的安装两部分；
(3)引导加载程序Bootloader的移植，Bootloader的作用是初始化目标版的硬件设备、建立内存空间映射图，然后跳转到内核的入口点去运行，即开始启动操作系统，本系统采用的Bootloader为U-boot；
(4)Linux操作系统内核的移植：首先解压内核源代码，本发明使用的内核kernel版本为Linux 2.6.32.2，选用图形界面的配置工具，然后使用linux命令清理内核文件，再对makefile文件进行一定的修改，并对配置文件进行相应的配置，去除不需要的LED、触摸屏、鼠标和键盘、摄像头、音频、蜂鸣器、A/D转换驱动等的配置，保留优盘、网卡驱动、SD卡驱动、看门狗等配置，完成后，输入命令#make zImage编译内核，编译工作结束后，linux内核映象文件已经在arch/arm/boot目录下生成了：zImage，然后通过USB或SD卡将其下载到开发板即可。
(5)根文件系统的移植：针对硬件资源上选取的是NAND FLASH，我们选择yaffs2文件系统作为根文件系统，本文以缺省的rootfs_qtopia_qt4.img文件系统映像为例来制作yaffs2文件系统映像。在虚拟机中解压yaffs2的源代码，，接下来在交叉编译环境里编译生成镜像文件，将镜像文件下载到开发板，最后给目标板重新上电完成根文件系统的移植；
(6)驱动程序的开发：配置过程为根据硬件平台的配置，匹配使用相应的稳定的驱动包，利用交叉编译环境，将其解压到Linux系统中，进行相关的命令操作从而完成驱动程序的移植，包括串口驱动，USB驱动，以太网驱动，SD卡驱动；至此，Linux操作系统的移植过程完成。
4.根据权利要求1所述的基于ARM的Linux操作系统的电磁调速采煤机管理主机系统，其特征在于：应用到的高级算法为Modbus转发程序；
所述的Modbus转发程序：当串口一作为Modbus主站，本地显示屏作为Modbus从站，主站可以读取并改写从站的程序，即Linux管理主机可以读取并改写显示屏的数据；当串口二作为Modbus从站，上位机组态软件作为Modbus主站，上位机组态软件可以读取和改写Linux管理主机的数据；串口一和串口二公用同一组数据寄存器，这样就构成了一组数据链通道，即显示屏—Linux管理主机—上位机组态软件；
Modbus转发程序的执行流程如下：先在XP系统的KEIL编译软件中编写程序，然后通过串口三(Linux主机调试口)，利用rz-sz传输软件将编写好的modbus程序传输至Linux管理主机的etc目录下的fstab目录，这时程序还不能运行，通过执行指令chmod
777modbus，将程序权限改为最高。然后输入指令./modbus，使程序在Linux系统中运行。

说明书全文

一种基于ARM的Linux采煤机管理主机系统

技术领域

[0001] 本发明涉及电磁调速采煤机电控系统管理主机操作系统的技术领域，尤其是基于ARM的Linux操作系统。

背景技术

[0002] 目前国内现有的采煤机的电控系统多是以PLC、工控机为主导核心，其缺点是智能化程度低、算法单一、电控箱体积大、在硬件和软件上浪费了一定的资源，随着对稳定性、控制精度以及控制系统智能化要求的提高，在控制系统中搭载操作系统可以有效地满足市场需求。

[0003] 国外研发的嵌入式操作系统主要有WindRiver、Microsoft、QNX、Nuclear、VxWorks、Palm OS、Linux以及我们熟知的IOS、Android、Symbian等。国内研发比较成熟的操作系统有中科院研制的Hopen、科银公司的DeltaSystem、开源社区推出的rt-thread、红旗公司的Linux等操作系统。结合开发需求，相对于其他类型的操作系统，Linux具有自身的优势：系统稳定高效，源码开放，资源丰富，支持多种硬件平台，可灵活配置、剪裁系统内核，占用空间小。

[0004] 采煤机市场现有的搭载WinCE操作系统的工控机为控制核心的电控系统，具有我们熟知的类似于XP的桌面系统，硬件技术成熟，扩展资源丰富，处理能力强，数据存储空间大，可以实现复杂的算法，相应的缺点是浪费硬件资源，占用内存空间大，同时系统开发成本高，不利于自主开发所需的程序。结合上述Linux操作系统的优势，本设计将嵌入式Linux系统应用于采煤机电控系统中，取代以PLC、单片机、工控机为核心的控制方式，系统结构紧凑，功耗低，具有强大的本地和远程通讯扩展能力,可与多种智能工业设备连接,占用资源少，有利于系统的更新迭代，拓展系统应用范围。便于用户根据自身需求进行开发，功能丰富且运行更加稳定。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于设计一种基于ARM的Linux操作系统应用在电磁调速采煤机电控系统管理主机中。

[0006] 本发明包括硬件电路、基于ARM的嵌入式Linux操作系统。

[0007] 所述硬件电路以AT91SAM9G25为核心，包括电源电路、RS232串口电路、SD卡接口电路、以太网接口电路、USB接口电路。

[0008] 所述AT91SAM9G25为系统控制核心MCU，根据实际工矿需求，发出指令信息，控制下位机主控模块完成采煤机动作。

[0009] 所述电源电路是将5V输入电压转换成3.3V输出，为AT91SAM9G25等芯片提供工作电压。

[0010] 所述RS232串口电路为系统提供三个RS232 通信接口，第一个接口为Modbus主站口，本地显示屏为Modbus从站，完成管理主机与本地显示屏之间信息交互，显示屏与底层的控制模块进行数据交互，从而实现管理主机对底层控制模块的监控；第二个接口为Modbus从站口，上位机组态为Modbus主站，实现管理主机与上位机之间的通信；第三个接口用于输出Linux系统的调试信息。

[0011] 所述SD卡电路用于实现系统信息的大容量转储，如采煤机记忆截的数据和煤岩识别的数据等，SD卡的优点是割抗震好，防电磁干扰能力强。一般将传输的文件预先装入SD卡，再装入目标板，挂载到相应额目录下直接读取。

[0012] 所述以太网接口电路为系统提供一个以太网接口，实现采煤机与远程组态之间的通信，也可以与支持以太网协议的液压支架等矿井设备系统的控制器进行通信组网。

[0013] 所述USB接口电路为系统提供USB接口，与PC机USB口功能相同，主要用于信息的转储，是系统调试下载BootLoader、内核镜像、根文件系统的工具。

[0014] 所述的Linux操作系统Fedora9.0是整个系统软件控制核心。起始代码Boot，所述起始代码Boot为操作系统起始时运行的一段程序。内核kernel，为内核管理的核心代码。yaffs2文件系统，所述yaffs2文件系统为根文件系统。

[0015] Bootloader移植使用U-boot,相应步骤是先在虚拟机上编译源码，再修改Makefile配置文件生成对应的开发版的U-boot文件，最后通过执行Linux指令，将生成的二进制文件U-boot.bin下载到开发板中。

[0016] 内核kernel，所述内核kernel版本为Linux 2.6.32.2，内核的移植，首先需要解压内核源代码，其次在内核配置界面中配置串口驱动、SD卡驱动、以太网驱动、USB驱动等。当配置工作完成后，输入命令#make zImage编译内核，编译工作结束后，linux内核映象文件已经在arch/arm/boot目录下生成了：zImage。将zImage文件下载到开发板即可。

[0017] yaffs2文件系统，先要获得yaffs2的源代码，配置编译完成后，再使用工具mkyaffs2image来制作文件系统映像文件，最后将镜像文件下载到开发板。

[0018] 为实现电磁调速采煤机管理主机与本地显示屏、上位机组态以及电控系统其它模块间的数据交互，编写了Modbus转发程序。

[0019] 本发明的基于ARM的Linux操作系统的电磁调速采煤机管理主机系统，解决了采煤机电控系统智能化程度低，算法单一的问题。整个系统功能完善、扩展功能多，支持的驱动资源丰富、结构简单、功能稳定，具有强大的本地和远程的通信能力，可与多种矿井工业设备进行数据交互，方便用户的二次自主开发。附图说明

[0020] 下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

[0021] 图1为本发明系统结构图

[0022] 图2为整个系统硬件结构框图

[0023] 图3为Modbus转发程序软件流程图

具体实施方式

[0024] 现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意图方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

[0025] 图1为本发明的系统结构图，根据电磁调速采煤机的电控需求，在搭建基于ARM的嵌入式Linux的管理主机中，应具备以下通信接口：RS232、以太网以及存储交互接口：USB、SD卡。本发明需要三个RS232通信接口，其中第一个RS232通讯接口支持Modbus协议，管理主机作为Modbus主站，显示屏作为Modbus从站，以便于管理主机和本地显示屏进行通信；第二个RS232通讯接口同样支持Modbus协议，管理主机作为Modbus从站，上位机监控软件作为Modbus主站，以便于管理主机和上位机进行通信；第三个RS232通讯接口用于输出Linux操作系统的调试信息。以太网接口用于远程组态。USB接口和SD卡用于大容量信息的存储和信息交互。

[0026] 本发明的设计初衷是为了设计一种适合电磁调速采煤机的电控系统的管理主机系统，利用嵌入式Linux操作系统的低功耗、高稳定性、丰富的本地和远程通讯扩展功能，强大的计算能力等优点取代传统的以PLC、单片机、工控机为核心的控制方式的不足。传统的控制方式具有稳定性差、、协议通用性单一、扩展能力不高，无法实现发杂高级的算法等缺点，运用嵌入式Linux操作系统可以完全避免这些传统的问题。

[0027] 图2为整个系统硬件结构框图，系统硬件电路包括ARM9控制模块、电源模块、RS232串口模块、SD卡模块、以太网模块、USB模块、相关外围电路。

[0028] 所述ARM9控制模块选用AT91SAM9G25，它基于ARM926EJ-S内核，主频达到400MHz，AT91SAM9G25是多层总线矩阵，以最小的处理器开销连接到2x8个专用的通信和接口外设的DMA通道，确保不间断的数据传输。

[0029] 所述电源模块采用两种降压电路，管路主机系统的供电电压为直流24V，其中以LM2596为核心的降压电路是将24V的直流电压转化成为5V的直流电压。以AMS1117为核心的电源电路将直流5V电压转化为3.3V电压，为芯片供电。

[0030] 所述RS232串口模块选用MAX232串口数据转换芯片，将ARM输出的TTL电平的串口信号转换成RS232串口信号。所述SD卡模块选用MiniSD卡，相比于目前主流的普通SD卡，它在外形上更加小巧，重量只有3克左右，体积只21.5x20x1.4mm，比普通的SD卡节约近60％的空间，在存储容量上，MiniSD卡从32MB到1GB各种规格一应俱全。所述100M的以太网模块，通过GPIO与主控芯片连接并配以相关的外围电路。所述USB模块，它与普通PC的USB接口一样，可以接USB摄像头、SUB 键盘、USB 鼠标、优盘等常见的USB外设，在这里作为系统调试下载BootLoader、内核镜像、根文件系统的工具。LED灯通过GPIO与开发板连接，作为系统的工作状态指示标志。

[0031] 系统软件包括Linux操作系统的裁剪和移植、系统应用程序的设计，以及Modbus转发程序算法的编写。

[0032] Linux操作系统的移植首先根据电磁调速采煤机的功能需求，分析嵌入式Linux操作系统应具备的基本功能和预留的扩展功能，然后进行硬件选型，然后构建交叉编译环境，完成引导加载程序Bootloader的移植，然后进行内核的移植、根文件系统的移植，最后进行驱动程序以及应用程序的开发。在ARM9开发板上运行相应的Linux操作系统，就意味着需要将Linux操作系统移植到开发板上，在系统移植前，首先构建交叉编译环境，可分为Fedora 9.0的安装配置和gcc编译器的安装两部分。本方案选择一台PC机作为宿主机，硬件电路平台作为目标板。在宿主机上(XP系统)安装虚拟机来运行Fedora 9.0系统，是因为目标板是基于Linux系统的，配置这样的开发环境既借用了XP系统的丰富的开发资源，又可以在Linux系统的环境下来调试。交叉编译工具链可以将C、C++、汇编等程序进行编译、链接生成可执行文件。在嵌入式Linux系统移植中，交叉编译工具链可以使PC机上的程序经过编译连接后，生成可以在目标板上执行的二进制文件，是跨平台(X86到ARM)程序执行常用的工具，开发板编译内核，图形界面Qtopia/Qt4，Bootloader，还有其它一些应用程序均是通过交叉编译工具链来开发的。自行配置交叉编译工具链的工作繁琐易出错，所以一般情况下是借助别人开发好的交叉编译工具链，交叉编译器选用的是arm-linux-gcc-4.5.1，交叉编译环境的建立过程就是利用Linux指令对交叉编译器压缩包解包的过程。交叉编译环境构建完成后，进行引导加载程序Bootloader的移植，它的作用是初始化目标板的硬件设备、建立内存空间映射图，然后跳转到内核的入口点去运行，即开始启动操作系统。本系统采用的Boot为u-boot，U-boot(Universal Boot Loader)，即通用引导加载程序，它支持多种架构的处理器引导，它突出的优势在于源代码开放、稳定性可靠性高、设备驱动丰富、配置灵活，它能正确地调用内核，从而启动操作系统。启动过程一般分为两个阶段，阶段1是从CPU复位后的起始地址开始执行，选用汇编语言来编写；阶段2选用C语言来编写。u-boot移植根据U-boot的源码结构目录，参照U-boot中选取的开发板，重新配置相关的目录文件，编译后生成对应于实际使用的开发板的U-boot。它的下载过程是：将目标板的串口三与宿主机的COM1相连接，在宿主机上使用串口调试工具SecureCRT6.5.0，配置好通讯参数，给目标板上电，通过USB接口完成Bootloader的移植。然后进行内核的移植，Linux内核作为操作系统的核心中枢，主要功能就是管理并驱动计算机的硬件设备，作为上层的应用程序和下层硬件设备的纽带。本发明使用的内核kernel版本为Linux 2.6.32.2，选用图形界面的配置工具，优点是直观，操作界面友好。通过对内核正确的配置裁剪以及根据目标需求，进行灵活的配置，只选取所需要的功能，裁剪掉多余的功能。本发明去除LCD、触摸屏、USB鼠标和键盘、摄像头、音频、按键、LED、蜂鸣器、AD转换驱动，主要配置优盘、SD卡、看门狗、串口驱动。配置工作完成后，进行内核编译，生成Linux内核映像文件zImage,通过USB将其下载到开发板即可。下一步进行根文件系统的移植，本发明使用工具mkyaffs2image来制作文件系统映像，区别于内核的界面配置，它采用控制命令进行操作，根文件系统映像就在这个工具制作下生成，本文以缺省的rootfs_qtopia_qt4.img文件系统映像为例来制作yaffs2文件系统映像。生成映像文件后，就可以通过USB下载到目标板，完成Linux系统移植。

[0033] 系统模块驱动程序使用成熟稳定的驱动源码包对串口、USB、以太网、SD卡进行驱动配置。配置过程为根据硬件平台的配置，匹配使用相应的稳定的驱动包，利用交叉编译环境，将其解压到Linux系统中，进行相关的命令操作从而完成驱动程序的移植。

[0034] 如图3所示为Modbus转发程序软件流程图

[0035] 首先操作系统进行初始化，Linux管理主机自动运行Modbus转发程序，串口串口一作为Modbus主站，本地显示屏作为Modbus从站，主站可以读取并改写从站的程序，即Linux管理主机可以读取并改写显示屏的数据。串口二作为Modbus从站，上位机组态软件作为Modbus主站，上位机组态软件可以读取和改写Linux管理主机的数据，判断上位机是否发出指令，如果发出指令则返回串口二，如果没有发出指令则返回Modbus转发程序入口。串口一和串口二公用同一组数据寄存器，这样就构成了一组数据链通道，即显示屏—Linux管理主机—上位机组态软件。

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