Die Idee mit TCP/IP ist nicht schlecht. Meines Wissens wird eine schnelle Version z.B. in Kampfflugzeugen eingesetzt, um die verschiedenen Bordrechner zu verbinden. Aber für µCs ist es zu oversized. Man sollte sich an den vorhandenen Bussystemen in diesem Bereich orientieren, und das sind z.B. I2C, CAN, RS232, RS485 und noch einige parallele Busse. Sinnvoll ist hier, den Linux-Controller als Master zu definieren und die Sensoren und kleinen µCs als Slave. Falls erforderlich, kann es auch ein Multimastersystem sein, was aber auch ein paar Probleme mit sich bringt.

Was die Software betrifft, so gibt es sicher eine Menge Literatur, die den prinzipiellen Aufbau beschreibt, den man nachempfinden kann (Sensor- / Aktorschicht, Regelungsschicht, Navigationsschicht, Nachrichtenaustausch usw.) Es ist ne Weile her, das ich mich mit sowas beschäftigt habe und mittlerweile müsste sich im Web oder sogar hier im Forum einiges dazu finden lassen.

Der PCA9564 ist ne feine Sache, aber vermutlich muss man sich dann den Treiber selbst schreiben. Und den Baustein über parallele Pins anzusprechen kann auch mühsam sein.

Hier noch ein Tipp für die Auswahl: der Cobra5485 (http://elmicro.com/de/cobra5485.html) bzw. der Cobra5282. Beide mit µClinux und leider ziemlich teuer.