基于μC/OS-II的Modbus協(xié)議測(cè)試系統(tǒng)

　1 引言

　　Modbus 協(xié)議最初由Modicon 公司開(kāi)發(fā)出來(lái)，1979 年末該公司成為施耐德自動(dòng)化 （Schneider Automation）部門(mén)的一部分。現(xiàn)在Modbus 協(xié)議已經(jīng)是工業(yè)領(lǐng)域全球最流行的協(xié) 議。Modbus 協(xié)議為應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，僅定義了通訊消息結(jié)構(gòu)，一個(gè)Modbus 信息幀包 括從機(jī)地址、功能碼、數(shù)據(jù)區(qū)和數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼。Modbus 協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-422、 RS-485 和以太網(wǎng)設(shè)備。許多工業(yè)設(shè)備，包括PLC、DCS、智能儀表等都在使用Modbus 協(xié) 議作為它們之間的通訊標(biāo)準(zhǔn)。 為適應(yīng)當(dāng)前開(kāi)發(fā)Modbus 設(shè)備過(guò)程中協(xié)議測(cè)試的需求以及Modbus 設(shè)備在線測(cè)試的需 要，本文提出并實(shí)現(xiàn)了基于ARM 嵌入式處理器、μC/OS 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的Modbus 協(xié)議測(cè)試 系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　Modbus 協(xié)議測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用了工業(yè)級(jí)嵌入式處理器HMS30C7202 。 HMS30C7202 是Hynix 公司的高性能、低功耗32 位RISC 微處理器，它由ARM720T 內(nèi)核 和其他一些外圍接口電路組成，工作頻率為70MHz，支持8KB 的數(shù)據(jù)與指令Cache、2KB 的SRAM、支持段式和頁(yè)式存儲(chǔ)的MMU、寫(xiě)緩沖器及AMBA 接口。

　　HMS307202 采用0.25μm 低功耗CMOS 工藝，片內(nèi)電壓2.5V，I/O 支持3.3V 電壓，采用了256 管腳QFP/BGA 封裝。 HMS30C7202 片上資源十分豐富，具有極高的集成度，非常適用于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，主要 應(yīng)用于PDA、智能電話(huà)、個(gè)人音頻設(shè)備等場(chǎng)合。 測(cè)試系統(tǒng)提供了RS-232 和以太網(wǎng)接口，用于實(shí)現(xiàn)和被測(cè)Modbus 設(shè)備的聯(lián)接。系統(tǒng) RS-232 接口芯片采用MAX3232。在嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部，將MAX3232 的接收輸出端與 HMS30C7202 的通用IO 端口E24 相連。工作時(shí)，使用串行電纜將測(cè)試系統(tǒng)RS-232 串口和 被測(cè)設(shè)備的串口聯(lián)接起來(lái)，在測(cè)試系統(tǒng)中通過(guò)運(yùn)行測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)Modbus 協(xié)議的測(cè)試。系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

　　測(cè)試系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件采用μC/OS-II 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，μC/OS-II 的前身是μC/OS，由美國(guó) 人Jean Labrosse 編寫(xiě)。μC/OS-II 是一種可剝奪型的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，其特點(diǎn)是可固化，可裁減，移植性好。μC/OS-II 功能強(qiáng)大，最多支持56 個(gè)用戶(hù)任務(wù)，支持信號(hào)量、消息郵箱、 消息隊(duì)列等多種常用的進(jìn)程間通信機(jī)制。

　　現(xiàn)已成功移植到幾乎所有知名的MCU 上，其穩(wěn)定 性與可靠性已經(jīng)得到檢驗(yàn)[1]。 μC/OS-II 是一個(gè)可剝奪型搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。μC/OS-II 大部分代碼是用ANSI C 語(yǔ) 言編寫(xiě)的，僅包含一小部分匯編語(yǔ)言代碼，使之可以提供給不同架構(gòu)的微處理器使用。至今， 從8 位到64 位，μC/OS-II 已經(jīng)在40 多種不同架構(gòu)的微處理器上使用。

　　世界上已經(jīng)有成千上 萬(wàn)的人在各個(gè)領(lǐng)域中使用μC/OS，這些領(lǐng)域包括：照相機(jī)行業(yè)、航空業(yè)、醫(yī)療器械、網(wǎng)絡(luò)設(shè) 備、自動(dòng)提款機(jī)以及工業(yè)機(jī)器人等。 由于μC/OS-II 僅僅是一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)的內(nèi)核，移植μC/OS-II 到處理器平臺(tái)以后，離實(shí) 際的應(yīng)用還有一段距離。因此必須對(duì)μC/OS-II 進(jìn)行必要的擴(kuò)充，才能建立一個(gè)實(shí)用的實(shí)時(shí) 操作系統(tǒng)。擴(kuò)充工作主要包括：建立文件系統(tǒng)、為外部設(shè)備建立驅(qū)動(dòng)程序并規(guī)范相應(yīng)的API 函數(shù)、創(chuàng)建圖形用戶(hù)接口（GUI）函數(shù)、建立其他實(shí)用的應(yīng)用程序接口（API）函數(shù)等[2]。

　　圖1 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[!--empirenews.page--]

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　μC/OS-II下應(yīng)用程序設(shè)計(jì)主要是根據(jù)系統(tǒng)的功能需要?jiǎng)澐植煌娜蝿?wù)和中斷，并為每個(gè) 任務(wù)分配不同的優(yōu)先級(jí)。一個(gè)任務(wù)通常是一個(gè)無(wú)限的循環(huán)，看起來(lái)像其它C的函數(shù)一樣，有 函數(shù)返回類(lèi)型，有形式參數(shù)變量，但任務(wù)是決不會(huì)返回的，因此返回參數(shù)類(lèi)型必須定義為 void。為了使μC/OS-II能管理用戶(hù)任務(wù)，用戶(hù)必須在建立一個(gè)任務(wù)的時(shí)候，將任務(wù)的起始地 址與其它參數(shù)一起傳給OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()。

　　中斷和任務(wù)以及任務(wù)與任務(wù)之間的同步可通過(guò)信號(hào)量實(shí)現(xiàn)。下面以Modbus協(xié)議測(cè)試程 序中RTU模式下字符時(shí)間間隔的測(cè)量為例介紹μC/OS-II程序設(shè)計(jì)中任務(wù)和中斷的劃分。 Modbus的RTU模式中規(guī)定[3]：RTU模式下必須以連續(xù)的字符流發(fā)送整個(gè)報(bào)文幀，同一個(gè) 幀中兩個(gè)字符之間的空閑時(shí)間Δt不能大于1.5個(gè)字符時(shí)間（稱(chēng)為t1.5），否則就認(rèn)為報(bào)文幀不完 整；不同報(bào)文幀之間需要時(shí)長(zhǎng)至少為3.5個(gè)字符的空閑時(shí)間，這個(gè)時(shí)間區(qū)間被稱(chēng)為t3.5。RTU 模式下的信息幀如圖2所示。

　　圖2 RTU模式的信息幀

　　為了記錄RTU 幀中一個(gè)字符結(jié)束時(shí)間和另一個(gè)字符的起始時(shí)間，系統(tǒng)分別使用串口中 斷Uart_ISR 和IO 中斷PE24_ISR 分別對(duì)這兩個(gè)時(shí)刻進(jìn)行捕捉。這需要將HMS30C7202 的串 口中斷時(shí)機(jī)設(shè)置為接收完一個(gè)字符后，將通用I/O 端口線PE24 設(shè)為允許中斷、下降沿觸發(fā)。

　　為了縮短關(guān)中斷時(shí)間和中斷處理時(shí)間，可將中斷的處理放在任務(wù)中進(jìn)行。在主任務(wù)中調(diào) 用OSTaskCreate函數(shù)分別建立串口接收處理任務(wù)Uart_Task和IO口處理任務(wù)PE24_Task。在 μC/OS-II中，有一個(gè)全局的系統(tǒng)時(shí)鐘，維護(hù)著一個(gè)全局時(shí)間變量。在Uart_Task和PE24_Task這兩個(gè)任務(wù)中分別通過(guò)讀取當(dāng)前全局時(shí)間變量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)字符起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間的連續(xù)測(cè) 量。系統(tǒng)利用μC/OS-II中信號(hào)量機(jī)制實(shí)現(xiàn)中斷與任務(wù)之間的同步[3][4]，信號(hào)量必須在系統(tǒng)啟 動(dòng)的時(shí)候初始化，利用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)任務(wù)與中斷同步的過(guò)程如圖3所示。

　　圖 3 利用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)任務(wù)與中斷同步[!--empirenews.page--]

　　串口處理任務(wù)Uart_Task、IO 口處理任務(wù)PE24_Task、串口中斷程序Uart_ISR 和IO 口中斷程序PE24_ISR 的部分代碼如下所示：

　　由于μC/OS-II是一種可剝奪型實(shí)時(shí)內(nèi)核，因此當(dāng)中斷程序結(jié)束后要重新進(jìn)行任務(wù)的調(diào) 度。任務(wù)的調(diào)度工作是由調(diào)度器完成的，μC/OS-II任務(wù)調(diào)度所花的時(shí)間是常數(shù)，與應(yīng)用程序 中建立的任務(wù)數(shù)無(wú)關(guān)，因此串中中斷和IO口中斷后的中斷恢復(fù)時(shí)間是相同的，如果將通過(guò) 優(yōu)化編程使兩個(gè)中斷的響應(yīng)時(shí)間相等，則時(shí)間間隔Δt的測(cè)量結(jié)果將更加精確。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　做為一種源碼開(kāi)放的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，μC/OS-II在計(jì)算機(jī)檢測(cè)與控制等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng) 用。本文提出并實(shí)現(xiàn)了基于ARM嵌入式處理器和μC/OS-II的Modbus協(xié)議測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié) 果表明，測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好、可靠性高，能很好地滿(mǎn)足Modbus設(shè)備的開(kāi)發(fā)調(diào)試以及Modbus 設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的在線檢測(cè)需求。