一种基于ARM的Linux采煤机管理主机系统的制作方法
【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 0S、Linux以及我们熟知的1S、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。yafTs2文件系统，所述yafTs2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 zlmage编译内核，编译工作结束后，Iinux内核映象文件已经在arch/arm/boot目录下生成了:zlmage。将zlmage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AMSl117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IGB各种规格一应倶全。所述10M的以太网模块，通过GP1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GP1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Qto