嵌入式Linux的卷烟机信息化平台设计

徐晓龙+++樊柄麟

摘 要： 传统卷烟机通过各类总线连接工控机MLP和控制检测系统，从而实现了设备内部通信和人机交互。文章提出嵌入式Linux操作系统的解决方案：对外加入B/S架构，保留原有的工控机MLP的C/S架构，建立WebServer，支持互联网的接入；对内统计生产数据，建立嵌入式数据库，最终实现信息平台设计。

关键词： 卷烟机； 信息化； 嵌入式； Linux系统

中图分类号：TP312 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2016）05-62-04

Abstract： The traditional cigarette making machine is connected with the industrial control computer MLP and the control detection system through various kinds of bus， so as to realize the internal communication and human computer interaction. In this paper a solution based on embedded Linux operating system is proposed， in which， B/S architecture is added for the outside access， the Web Server is build to support Internet access while the original C/S architecture of industrial control computer MLP is retained； at the inside， the cigarette making machine's informatization platform is implemented by building an embedded database for production data statistics.

Key words： cigarette making machine； informatization； embedded； Linux system

0 引言

卷烟机电控系统通过各类总线连接工控机MLP和控制检测系统，数据信息交换仅限于设备内部，设备与生产线之间无法通信。卷烟机信息化首先需建立信息化平台，通过联网消除设备间的“信息孤岛”，进而为物联网和大数据挖掘等提供支撑。

随着嵌入式技术发展，嵌入式CPU处理速度越来越快、体积和功耗越来越小、功能日益强大，嵌入式操作系统运行稳定、兼容性好、应用软件移植简单，基于卷烟机主体因素的考虑，其设备不适合选择大型服务器工作站。因此，本文选用低功耗小体积的嵌入式服务器搭建信息化平台，加入功能模块为拓展卷烟机信息化建设提供技术支撑。

1 系统总体架构设计

传统的卷烟机电控系统架构由三层总线连接而成：分别是工厂总线，CAN总线和Profibus-DP总线[1]。它们之间的关系如图1所示。

工控机MLP利用工厂总线与工厂级数采系统相连接；Profibus-DP总线用于PLC的高速数据传送；CAN总线是卷烟机中最重要的总线，它连接工控机MLP与其他控制检测系统，包括PLC、SRM、CIS、ORIS和HIP等[2]。

不同总线使用不同协议，数据信息交换仅限于设备内部，在尽可能保持功能和系统稳定性的前提下，本文设计了如下方案对原有架构做修改。

⑴ 用以太网总线取代CAN总线以解决CAN总线传输速率慢及基本站点限制的问题。

⑵ 在系统中加入小型交换设备，用于支持以太网总线的数据传输。

⑶ 由于工控机MLP的软硬件系统从西门子公司定制，其系统的封闭性导致难以建立信息平台。而嵌入式Linux系统具开源性，内核可裁剪，自带TCP/IP协议栈，拥有庞大的系统应用，并且支持多种嵌入式处理器架构。因此，嵌入式Linux系统能够很好地支持卷烟机信息平台开发。

新的系统架构如图2所示。

2 系统硬件设计

系统硬件主要包括核心板和主板两部分。核心板是最小系统运行环境，包含CPU、RAM、ROM和外部晶振等；主板集成了所有外部硬件资源，包含以太网模块和其他模块，如：USB2.0的HOST和HUB、RS454和RS232的串口、电源，以及用来调试和烧写程序的CPLD-JTAG接口。

2.1 处理器模块

Exynos 4412是三星公司的一款基于ARM Cortex-A9的四核处理器，主频1.5GHz，选用了32nm HKMG工艺和RISC指令集，具有低功耗和高性价比等特点，它广泛应用于智能手机和平板等高端产品中。处理器RAM支持1G的DDR3内存，分频频率为400MHz，ROM支持16G大小的eMMC闪存。

2.2 以太网模块

以太网模块选用DAVICOM公司DM9000网卡芯片，自适应100/10M数据传输速度。DAVICOM公司提供了对应的网卡驱动程序，支持DM8900，DM9000，DM9000A等型号，只需要移植到Linux系统。

2.3 其他模块

其他模块按照对应的接口电路进行设计。系统包含：USB HOST的接口电路，并且支持USB HUB；UART1为RS454电平，UART2为RS232电平；CPLD-

JTAG接口用来烧写CPLD固件程序；为了使系统在意外掉电后还能正常工作，电源模块基于UPS电源设计，对外输出为12V、5V和3.3V。

3 系统软件设计

系统软件设计分为：Linux系统移植、嵌入式WebServer设计和嵌入式数据库设计三个部分。Linux系统移植包括Bootloader移植和Linux内核移植；嵌入式WebServer设计包括BOA与CGI的移植和服务器程序设计，基于安全性考虑，对外系统权限较低，选用B/S架构可以对卷烟机进行状态监控和问题定位，而对内系统权限较高，保持工控机C/S架构用来修改卷烟机参数和操作数据库；嵌入式数据库设计包括SQLite3的移植和E-R图设计，数据库主要用来统计卷烟机的生产数据，从而对多种大数据分析算法提供支撑，工控机MLP通过SecureCRT访问数据库。

3.1 Linux系统移植

Bootloader选用U-Boot-4412，支持Exynos 4412。具体移植方法为：下载U-Boot-4412源码，修改Makefile的配置文件和链接脚本，修改CONFIG_

EXYNOS4412、MLL锁相环频率参数、串口波特率，对CPU和单板相关的宏定义进行配置，修改支持DDR3和eMMC闪存。

Linux内核移植方法和Bootloader相似，内核版本为3.5.0，具体分为修改内核支持单板、修改MTD分区和移植根文件系统。Linux3.5.0内核自带主要驱动程序，支持USB2.0、DDR3和eMMC闪存驱动，串口驱动注意修改波特率，DAVICOM公司已经提供DM9000相应驱动程序，Linux对其支持已经非常完善[3]。

3.2 嵌入式WebServer设计

3.2.1 BOA与CGI移植

基于BOA服务器对CGI的支持、功能强大且开源、适合移植，且卷烟机终端不需要进行多任务访问，WebServer适合选用BOA服务器。首先需要对这BOA和CGIC库进行移植配置：修改对应的Makefile文件，CC=arm-linux-gcc、AR=arm-linux-ar、RANLIB=

arm-linux-ranlib，修改对应的路径，最后编译优化[4]。

3.2.2 服务器程序设计

服务器设计上选用B/S和C/S混合架构。B/S架构用来显示卷烟机状态和问题跟踪查询，有利于专业技术人员远程定位。基于安全性的考虑，C/S架构负责较高权限操作：修改卷烟机运行参数和操作数据库。C/S客户端上位机程序由西门子公司提供，在工控机MLP上运行，现主要对B/S服务器进行设计。

B/S服务器界面分为参数显示区域、报告区域、窗口、导航栏、MLP信息、取样信息等模块。B/S服务器程序设计模式为MVC模式[5]：View为网页界面，通过HTML和CSS进行显示；Control为控制脚本，传入用户界面参数，根据具体业务调用数据处理程序，用Linux Bash Shell脚本实现；Model为数据处理程序，是最核心的部分，该部分通过应用程序接口从工控机MLP读入需要的状态和数据，工控机MLP直接与控制检测设备交互。

⑴ View模块HTML通过表单GET请求处理。

⑵ Control模块Bash Shell主要代码：

3.3 嵌入式数据库设计

3.3.1 SQLITE3介绍和移植

基于嵌入式设备规模、实时性和硬件交互，嵌入式数据库一般具有占用系统资源少、高实时性和高可靠性等特点。SQLite3数据库是一款轻型开源数据库，接口简单，包含在一个相对较小的C库中。由于第三方脚本文件支持，移植步骤大致为：获取源码；运行第三方KBuild脚本编译；编译完成后，运行第三方KConfig脚本，自动进行SQLITE3配置。工控机MLP通过SecureCRT的Telnet协议登录至Linux系统，进而对数据库进行操作[6]。

3.3.2 数据模型E-R图设计

报告模块是系统核心数据结构，数据库的作用是可供对报告的数据进行查询、设置和修改等，以及管理和分析卷烟机生产过程中的状态、效果和运行情况。报告有LEVEL0到LEVEL3四个子集，分为信息、生产、质量、分析、取样、设置和服务等部分。数据模型E-R图设计如图3所示。

4 系统测试结果

系统测试包括BOA服务器测试和SQLite3数据库测试。测试结果达到预期效果：服务器程序能够在任意网络终端通过浏览器进行访问，且各模块功能正常；数据库能够对核心数据结构进行增删改查和关联等操作。图4Windows平台和嵌入式Linux平台进行TCP/IP网络连接，然后通过IE浏览器访问服务器程序的网页主界面；图5工控机MLP通过Telnet登录嵌入式Linux平台，然后对SQLite3数据库进行操作的截图。

5 结束语

经过测试，当平台接入互联网时，远程终端就能够对其进行访问，通过网页显示当前卷烟机信息，卷烟机的数据传输不局限于设备内部，而是在任何联网设备之间，从而为物联网技术提供支持；嵌入式数据库的引入，使得卷烟机的核心生产数据不再以文件形式保存在上位机终端，而是利用数据库对其进行整合归纳和排列组合，从而为数据挖掘算法乃至大数据技术提供很好的支撑环境。

参考文献（References）：

[1] 刘学海，韩东，王斌，范海震.基于IPC-PLC的PASSIM卷接机组电控系统设计[J].烟草科技，2013.11：25-28

[2] 王建萍.烟厂卷接机组PLC与工控机网络的监控系统设计[J].机械工程与自动化，2014.2：176-177

[3] 宋宝华.Linux设备驱动开发详解[M].人民邮电出版社，2014.

[4] 王灵芝，叶美霞，张建造.基于Zigbee及BOA服务器的嵌入式智能家居的设计[J].闽南师范大学学报（自然科学版），2014.3：69-73

[5] 杨宗德.Linux高级程序设计[M].机械工业出版社，2012.

[6] 王洪辉.嵌入式linux内核开发实战指南[M].电子工业出版社，2011.