Збірка OpenSCADA та прошивки для ARM-контролерів фірми ICP DAS (LP-5141)
| Ім'я: LP-5xxx Засновано: серпень 2011р Завершено: вересень 2011р Версія: 1.0.0 Учасники: Роман Савоченко Опис: Проект присвячено збірці OpenSCADA та прошивки для ARM контролерів серії LP-5xxx та LP-8x{3|4}x фірми ICP DAS. Матеріали:  ftp://ftp.oscada.org/OpenSCADA/PLC/LP5xx1 |  |
Вступ
Фірма ICP_DAS достатньо давно випускає контролери на процесорах ARM архітектури з передвстановленим оточенням ОС Linux, що робить цікавим створення збірки OpenSCADA або нової прошивки з OpenSCADA.
До останнього часу була низка причин, на перепоні збірки OpenSCADA для ARM-контролерів ICP DAS:
- відсутність на руках жодного з ARM-контролерів;
- неготовність OpenSCADA для роботи на ARM-архітектурі;
- дуже застаріле оточення Linux ARM-контролерів фірми "ICP DAS".
На цей час всі ці перепони було усунено. Так, завдяки Петру Літковцю на руках з'явився контролер LP-5141, а до цього часу OpenSCADA у значній мірі було вже адаптовано до роботи на ARM-архітектурі, за посередництвом відпрацювання та стабілізації на долонному комп'ютері фірми Nokia - N800. У наслідок же роботи з контролером LP-5141 було усунено останню перепону шляхом оновлення початкового програмного оточення із збереженням поточного функціоналу.
В цілому, метою даного проекту є відпрацювання механізмів та створення збірки OpenSCADA для контролерів сімейства ARM фірми "ICP DAS", а також створення прошивок під контролери "ICP DAS", які будуть потрапляти до рук розробників OpenSCADA.
1. ПЛК LP-5141
ПЛК (рис.1) конструктивно виконано у вигляді моноблоку, який не містить вбудованого УСО, а підключення зовнішнього здійснюється за посередництвом вбудованого інтерфейсу RS-485, наприклад, у вигляді модулів серії I-7000, фірми "ICP DAS".
Рис. 1. ПЛК серії LP-5xxx.
Процесор контролеру має наступні технічні характеристики:
| CPU | PXA270 або сумісний (32-біт та 520МГц) |
| SDRAM | 128 MB |
| Flash | 64 MB |
| EEPROM | 16 KB Збереження даних: 40 років; 1,000,000 циклів видалення/запису. |
| Розширена Flash пам'ять | microSD сокет з однією microSD картою на 2GB (може підтримувати 16 GB microSDHC картки) |
| 64-біт Серійний Номер Обладнання | Наявний |
| Подвійний Watchdog таймер | Наявний |
| VGA | 800 × 600 |
| Ethernet порти | RJ-45 x 2, 10/100 Base-TX Ethernet Контролер (Авто-узгодження, авто MDI/MDI-X, LED індикатор) |
| USB 1.1 (хост) | 1 |
| COM1 (/dev/ttySA0) | RS-232 (RxD, TxD and GND); Не ізольовано |
| COM2 (/dev/ttySA1) | RS-485 (D2+,D2-); 2500 VDC; Ізольовано |
| COM3 (/dev/ttySA3) | RS-232 (RxD, TxD and GND); Не ізольовано |
| Робоча температура | -25 ~ +75 °C |
2. Програмне оточення на основі OpenSCADA.
Програмне оточення, основане на ОС Linux, для ARM контролерів фірми ICP DAS за звичай мають: ядро Linux 2.6.19, GLibC 2.2.5 та GCC 2.95. Для збірки стороннього ПЗ фірмою ICP-DAS надається SDK з кроскомпілятором, набором бібліотек та заголовків до них (Linux toolchain). Як можна бачити, версії GLibC та GCC дуже старі, а саме 2001 року. Збірка OpenSCADA у такому оточені фактично неможлива. Якщо використання GLibC версії 2.2.5 ще можливе, то GCC версії 2.95 має C++ компілятор, який на збірці коду OpenSCADA просто рушиться, а стандартна бібліотека C++, або STL, дуже обмежена та під неї потрібна значна і головне безглузда адаптація. По цій причині потрібне було оновлення первинного програмного оточення до версії GCC компілятору, або бібліотеки C++, не менш 3.
Оскільки внутрішня флеш-пам'ять має порівняно невеликий об'єм (64 Мб), а повна перезбірка початкового програмного оточення контролера — достатньо трудомісткий процес то було вирішено забезпечити сумісність базових бібліотек нового та старого оточення. А саме, можливість використовувати бібліотеки на зразок fontconfig, i8k з первинного оточення та роботу програм первинного оточення з новими бібліотеками.
У процесі підбору нового програмного оточення для процесору PXA-270, контролера "ICP DAS", було апробовано декілька варіантів, оскільки частина з них мала ті або інші недоліки:
- crosstool-0.43 — цікавий хоча і застарілий проект (остання версія 2006 року) по збірці Linux кросоточення під потрібне обладнання. Було відкладено після декількох невдалих спроб зібрати нове оточення для роботи з "Software FP" та "VFP". Як надалі виявилося для об'єктних файлів попереднього оточення некоректно відображається інформація про начеб то наявність там "Software FP" та "VFP", хоча на справді операції з реальними числами там відбуваються за посередництвом "FPA". Відповідно можна надалі повернутися до цього варіанту.
- PXA-Linux Project — проект по створенню незалежного набору інструментів Linux для збірки під процесор PXA. Має бінарну збірку
02-25-2005/bin/arm-linux-toolchain-bin-12-15-04-driscoll.tar.gz. Виявилося, що цю збірку зібрано із "Software FP" та "VFP", а також наявні проблеми у вигляді виключення низки розширень компілятору gcc, наприклад: __attribute__((packed)).
- Voipac — бінарна збірка інструментів кроскомпіляції (arm-linux-gcc-3.4.1.tar.gz) від фірми "Voipac" для власного обладнання на процесорі PXA-270. Цей набір підійшов ідеально за всіма параметрами та подальша збірка відбувалася за допомогою нього.
Збірка OpenSCADA з використанням кросскомпілятору здійснюється наступним чином:
# Розпакування архіву інструментарію
$ cd /
$ tar --lzma -xvf lincon.tlz
# Ініціалізація оточення збірки
$ . /lincon/linpac_new.sh
# Перехід до дерева вихідних текстів OpenSCADA, конфігурація та збірка
$ cd /lincon/OpenSCADA
$ ./configure --host=arm-linux --enable-CrossCompile --disable-QTStarter --disable-QTCfg --disable-Vision --disable-MySQL --disable-FireBird --disable-PostgreSQL --disab
le-AMRDevs --disable-BFN --disable-SoundCard
$ make
Результуюче оточення контролеру з OpenSCADA було сформовано шляхом заміни базових бібліотек первинного оточення на бібліотеки з набору інструментів від "Voipac", збірки OpenSCADA та розташування файлів OpenSCADA у дереві первинного оточення.
OpenSCADA була зібрана з виключенням низки бібліотек та модулів. Так були зібрані та перевірені модулі та функції OpenSCADA:
- Ядро OpenSCADA — зібрано із бібліотекою LibGD2 (роботу перевірено). У процесі перевірки та адаптації розширено функції зберігання конфігурації OpenSCADA у конфігураційному файлі.
- DB.SQLite — БД SQLite (роботу перевірено). Зібрано бібліотеку та модуль OpenSCADA для роботи з БД SQLite. У процесі перевірки виявлено та виконано обхід помилки у GLibC 2.3.2, яка пов'язана з відсутністю перевірки на взаємо-блокування "rw"-ресурсів.
- DB.DBF — БД DBF (роботу перевірено). Модуль роботи з DBF-файлами версії 3.
- Transport.Sockets — Модуль транспорту Сокетів TCP, UDP та Unix (роботу перевірено). У процесі використання TCP-сокетів виявлено та усунено не ініціалізацію структури перевірки стану сокету.
- Transport.SSL — Модуль транспорту безпечних сокетів: SSL, TLS (роботу перевірено).
- Transport.Serial — Модуль транспорту послідовних інтерфейсів (роботу перевірено). Виявилося, що COM3 чомусь розташовано на пристрої /dev/ttySA3.
- Protocol.SelfSystem — Модуль власного протоколу OpenSCADA (роботу перевірено).
- Protocol.HTTP — Модуль реалізації протоколу HTTP (роботу перевірено).
- Protocol.ModBus — Модуль реалізації протоколу ModBus (роботу перевірено). Конфігурація станції як серверу даних за посередництвом протоколу ModBus.
- Protocol.OPC_UA — Модуль реалізації протоколу OPC UA (роботу перевірено). Конфігурація станції як серверу даних за посередництвом протоколу OPC UA. Виявлено проблему різниці представлення реального на x86 та ARM FPA!
- Protocol.UserProtocol — Модуль вільної реалізації простих протоколів користувачем, за посередництвом мови програмування OpenSCADA (роботу перевірено).
- DAQ.System — Модуль даних операційної системи (роботу перевірено). Зібрано без використання бібліотеки LibSensors.
- DAQ.JavaLikeCalc — Модуль реалізації подібної до Java користувацької мови та обчислень на її основі (роботу перевірено).
- DAQ.BlockCalc — Модуль реалізації блочних обчислень (роботу перевірено).
- DAQ.LogicLev — Модуль реалізації джерел даних логічного рівня (роботу перевірено).
- DAQ.ModBus — Модуль роботи з джерелами даних за посередництвом протоколу ModBus (роботу перевірено).
- DAQ.DCON — Модуль роботи з джерелами даних за посередництвом протоколу DCON (роботу перевірено). Наприклад, з пристроями ICP_DAS серії I-7000. Виявлено та виправлено падіння під час отримання негативного розміру відповіді. Результат відповіді тепер завжди повертає >= 0.
- DAQ.ICP_DAS — Модуль джерел даних ICP_DAS (немає обладнання для перевірки). Послідовні серії: I-87000 та I-7000; паралельні (швидкі): серії I-8000. Модуль зібрано з бібліотекою libi8k.a для ARM-архітектури.
- DAQ.DAQGate — Модуль реалізації шлюзування джерел даних інших станцій OpenSCADA (роботу перевірено).
- DAQ.OPC_UA — Модуль роботи з джерелами даних за посередництвом протоколу OPC_UA (роботу перевірено). Виявлено проблему різниці представлення реального на x86 та ARM FPA - додано перетворення під час передачі!
- DAQ.Siemens — Модуль роботи з контролерами Siemens, за посередництвом Industrial Ethernet (ISO_TCP) (роботу перевірено).
- DAQ.SNMP — Модуль збору даних мережевого обладнання за протоколом SNMP (роботу перевірено).
- Archive.DBArch — Модуль архівації на БД (роботу перевірено).
- Archive.FSArch — Модуль архівації на файлову систему (роботу перевірено). Виявлено проблему при перевірці архіву, видача повідомлень під час запуску: "Error archive file structure: <ARCHIVES/VAL/1s/CPULoad_load 2011-09-12 17:47:17.val>. Margin = -8 byte. Will try fix it!". У результаті з'ясовано, що алгоритм швидкого підрахунку бітів не вирівняно на 4 байта під час читання буферу пам'яті - виправлено.
- UI.WebCfg — Модуль заснованого на Web конфігуратору OpenSCADA (роботу перевірено).
- UI.WebCfgD — Модуль заснованого на Web динамічного конфігуратору OpenSCADA (роботу перевірено).
- UI.VCAEngine — Модуль рушія візуалізації (роботу перевірено).
- UI.WebVision — Модуль візуалізатору користувацьких інтерфейсів у UI.VCAEngine за посередництвом Web-інтерфейсу (роботу перевірено).
- UI.WebUser — Модуль вільної користувацької візуалізації за посередництвом Web-інтерфейсу (роботу перевірено).
- Special.FLibComplex1 — Бібліотека функцій сумісності з Complex1(ООО НИП "ДІЯ") (роботу перевірено). Використовується для блокового програмування.
- Special.FLibMath — Бібліотека стандартних математичних функцій (роботу перевірено).
- Special.FLibSYS — Бібліотека системних функцій розширення OpenSCADA (роботу перевірено).
З метою зручного розповсюдження та застосування отриманої збірки OpenSCADA для ARM-контролерів фірми "ICP DAS" було виконано розбір формату прошивок для цих контролерів та формування нової, яка включає OpenSCADA. Прошивка ARM-контролерів "ICP DAS" представляє з себе бінарний файл з назвою типу "lp5x4x_1.1.bin". Структурно цей файл містить ядро та кореневу файлову систему типа JFFS2. Дізнатися точне їх розташування можна за допомогою команди у попередньому оточені контролеру, наприклад, для LP-5141:
$ cat /proc/mtd
dev: size erasesize name
mtd0: 00040000 00020000 "Bootloader"
mtd1: 00040000 00020000 "Bootloader Param"
mtd2: 00280000 00080000 "Kernel"
mtd3: 03c80000 00080000 "JFFS2 Filesystem"
Із отриманого результату команди можна зробити висновок, що точка поєднання образу ядра та файлової системи знаходиться за зсувом файлу прошивки 0x280000, а розмір блоку стирання флешу складає 0x80000 (512кБ). Маючи цю інформацію ми можемо розібрати прошивку та внести зміни до образу її файлової системи:
# Вилучення попередніх образів ядра та кореневої файлової системи
$ dd if=lp5x4x_1.1.bin of=kernel_orig bs=1K count=2560
$ dd if=lp5x4x_1.1.bin of=jffs2_orig bs=1K skip=2560
# Підключення попереднього образу файлової системи
# Створення емуляції блокового пристрою у пам'яті.
# Може викликати помилку у випадку використання неперервної області пам'яті іншими програмами та малим її разміром.
# Для вирішення цієї проблеми потрібно додати параметр командного рядка ядра, під час завантаження, **vmalloc=512MB**.
$ modprobe mtdram total_size=65536 erase_size=512
$ modprobe mtdblock
$ dd if=root_orig.img of=/dev/mtdblock0
$ mount -t jffs2 /dev/mtdblock0 /mnt/tmp
# Копіювання змін та файлів OpenSCADA у кореневу файлову систему контролеру
# Створення нової файлової системи із змінами.
$ mkfs.jffs2 --root=/mnt/tmp --pad=$((61952*1024)) --eraseblock=512 --output=root.img
# Збираємо новий образ прошивки
# cat kernel_orig.img root.img > lp5x4x_oscada_1.0.bin
Таким чином ми отримуємо нову прошивку з OpenSCADA у файлі lp5x4x_oscada_1.0.bin, яку можна завантажити до контролеру стандартним чином, описаним у документації "ICP DAS".
3. Зауваження
Оскільки з'ясувалося, що операції з реальними числами виконуються за посередництвом команд сопроцесору FPA (Float Point Acceleration), якого у цьому процесорі просто немає, а виклики самих команд здійснюються через виключення, шляхом імітації у ядрі Linux, то продуктивність математичних обчислень виявляється дуже низькою, навіть у порівнянні з прямим "Software FP", "VFP". Наприклад, обчислення однієї операції sin(pi) здійснюється ~200 мкс, у порівняні із ~20 мкс на N800 з VFP та ~2 мкс на x86, детальніше у таблиці нижче. Таким чином, розглядати цей контролер як платформу для хоч якихось серйозних обчислень не можна! Мало того, реальні числа, при роботі із FPA, зберігаються по іншому, а саме особливий big-endian, що вимагає перетворення, у випадку із бінарним зовнішнім обміном, до типового little-endian вигляду, наприклад, для DAQ.OPC_UA.
| Обладнання | Операція sin(Пі) (у JavaLikeCalc), мкс | Операція pow(Пі,2) (у JavaLikeCalc), мкс |
| ICP DAS LP-5141 (PXA270, FPA) | 100 (200) | 51 (152) |
| Segnetics SMH2Gi (ARM926EJ-S, SoftVFP) | 23 (44) | 12 (31) |
| Nokia N800 | 6 (15) | 6 (17) |
| Nokia N900, N950 | 3 (6) | 2 (6) |
| AMD Athlon X2 3600+ | 3 (3) | 3 (3) |
| AMD Turion L625 1.6 | 3 (4) | 3 (4) |
| Intel Core2 Duo 1.6 | 2 (2) | 2 (3) |
Значна різниця у часі обчислення на ARM при прямому виклику математичної операції з віртуальної машини JavaLikeCalc можливо пов'язана із невирівняним читанням з області пам'яті під час читання команд віртуальної машини, з чим має сенс пізніш розібратися та можливо якось скомпенсувати.
У первинній конфігурації порт COM1 (/dev/ttySA0) використовується у ролі консолі, яка ініціалізується командою ядра "console=/dev/ttySA0". Однак після налаштування це не потрібно, а часто і бажано звільнити ще один COM-порт для інших цілей. Звільнити COM1 від роботи на консоль можно перепризначивши інший пристрій для цієї ролі, наприклад, командою: $ busybox setconsole /dev/tty1. Однак цей метод не повністю звільняє COM-порт та запити втрачаються, вичитуючися паралельним підключенням.
4. Заключення
У результаті було отримано збірку OpenSCADA для Linux контролерів, ARM-архітектури, фірми "ICP DAS". Збірку можна завантажити безпосередньо на будь який Linux-ARM контролер, розпакувавши її у корні працюючої первинної системи. При цьому однак залишаться дублікати старих базових бібліотек (/lib/*), які, після вдалого перевантаження, можна видалити.
Для контролерів сімейства LP-5x4x створено прошивку зі збіркою OpenSCADA, яку можна завантажити стандартним для даних контролерів чином, який описано у фірмовій документації "ICP DAS". Прошивка для LP-5x4x можливо підійде і для LP-5x3x, однак це не перевірялося!
У зв'язку із застарілою та неоптимальною початковою збіркою Linux оточення від "ICP_DAS", що накладає обмеження на свободу збірки оптимального оточення, по завершенню проекта планується звернутися до фірми "ICP_DAS" з проханням виправити це становище.
Посилання
- Архів збірки OpenSCADA: ftp://ftp.oscada.org/OpenSCADA/PLC/LP5xx1/root_oscada.tgz
- Прошивка з OpenSCADA для LP5x41: ftp://ftp.oscada.org/OpenSCADA/PLC/LP5xx1/lp5x4x_oscada_1.0.bin.gz