基于μC/OS-II嵌入式系統(tǒng)的EPA通信協(xié)議的實現(xiàn)方案

摘要: 本文提出了一種基于μC/OS-II嵌入式系統(tǒng)的EPA通信協(xié)議的實現(xiàn)方案。簡要介紹了EPA通信協(xié)議和模型，針對在以μC/OS-II嵌入式系統(tǒng)為平臺實現(xiàn)EPA設(shè)備通信的需求，提出了設(shè)計思路及其構(gòu)建方法，并在實驗系統(tǒng)上得到應(yīng)用。

1. 引言

《用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的EPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信規(guī)范》（以下簡稱EPA）是基于工業(yè)以太網(wǎng)的實時通信規(guī)范，它有效地解決了以太網(wǎng)通信的確定性通信問題，進(jìn)而可以應(yīng)用于多種工業(yè)領(lǐng)域，構(gòu)成各種工業(yè)測量與控制系統(tǒng)。該規(guī)范將收錄在制定中的實時以太網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61784-2中，成為我國首例具有自主知識產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)；開發(fā)和實現(xiàn)EPA通信協(xié)議是應(yīng)用EPA系統(tǒng)的基礎(chǔ)和前提。

μC/OS-II是一種占先機(jī)制的實時多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)，具有源碼公開、可移植、可固化、可裁剪等特點，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。相對于同為源碼公開的μClinux，它具有內(nèi)核小、實時性高等特點，更適合于控制應(yīng)用。μC/OS-II作為EPA通信協(xié)議的實現(xiàn)平臺，能夠較大的提高系統(tǒng)資源利用率，利用優(yōu)先級劃分獲得較好的實時響應(yīng)性能，其任務(wù)間多種通信方法有助于實現(xiàn)各實體協(xié)議狀態(tài)機(jī)。

2. EPA通信協(xié)議與模型

EPA系統(tǒng)采用ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型（ISO 7498）的第一、二、三、四和七層，并增加用戶層。系統(tǒng)中除了采用普通以太網(wǎng)協(xié)議組件外，有些層增加了部分實體，以適應(yīng)EPA通信的需求：

增加的用戶層包含EPA功能塊應(yīng)用進(jìn)程與非實時應(yīng)用進(jìn)程。應(yīng)用層增加了由EPA系統(tǒng)管理實體、EPA應(yīng)用訪問實體和EPA套接字映射實體組成的EPA協(xié)議，三個實體分別實現(xiàn)EPA設(shè)備管理、應(yīng)用通信服務(wù)、應(yīng)用層與UDP/IP軟件實體之間的映射接口和報文優(yōu)先發(fā)送管理、報文封裝、響應(yīng)信息返回、鏈路狀況監(jiān)視等功能。在MAC層和IP層之間增加EPA通信調(diào)度管理實體，對EPA設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送的報文進(jìn)行調(diào)度管理。調(diào)度策略采用分時發(fā)送機(jī)制，將報文分為周期報文和非周期報文，按預(yù)先組態(tài)的調(diào)度方案，在相應(yīng)的時間段內(nèi)發(fā)送，以避免碰撞。各設(shè)備網(wǎng)絡(luò)時間由時間同步組件維護(hù)其一致性。EPA管理信息庫為各層協(xié)議實體提供操作所需信息，包括設(shè)備描述對象，鏈接對象等。

按照EPA通信協(xié)議，每個EPA設(shè)備由至少一個功能塊實例、EPA應(yīng)用訪問實體、EPA系統(tǒng)管理實體、EPA套接字映射實體、EPA鏈接對象、通信調(diào)度管理實體以及UDP/IP協(xié)議等幾個部分組成。各個實體和對象通過互相調(diào)用，協(xié)同完成設(shè)備間通信過程如圖1示：

3. 實現(xiàn)平臺

本文實現(xiàn)EPA通信協(xié)議的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，通信卡CPU為Rabbit2000微處理器，它是Rabbit半導(dǎo)體公司所生產(chǎn)的8位微處理器，工作主頻22.1MHZ，工作電壓5V，具有40個通用I/O引腳。內(nèi)建日歷、時鐘、看門狗、定時器、多級中斷、雙DMA通道，數(shù)據(jù)存儲為128K靜態(tài)存儲器和 256K 動態(tài)存儲器，可外擴(kuò)4～8MB Flash，對于通信協(xié)議棧和小型控制應(yīng)用，其存儲空間是足夠的。
 

由zworld公司提供的基于Dynamic C的軟件開發(fā)平臺集編程、編譯、鏈接、調(diào)試、下載于一體，提供完善的TCP/IP協(xié)議棧，支持全功能RS232/485通信，配備了各種I/O驅(qū)動函數(shù)庫；文件管理系統(tǒng)可在Flash或SRAM上建立數(shù)據(jù)文件，便于存儲系統(tǒng)或用戶數(shù)據(jù)；開源的協(xié)議庫不但縮短了軟件開發(fā)周期，而且便于修改以更好的實現(xiàn)EPA通信協(xié)議。

通信卡通過以太網(wǎng)模塊接口與EPA網(wǎng)絡(luò)相連，通過串口RS-232與電動執(zhí)行器連接形成一個底層IO設(shè)備，掛接在EPA網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行測試。

RaBBit2000支持協(xié)作式（使用coSTate）和占先式（移植μC/OS-II）多任務(wù)模式，選擇占先式模式基于以下兩點考慮：

（1）對于EPA設(shè)備來說，系統(tǒng)實時性是一個很重要的指標(biāo)，表現(xiàn)在經(jīng)過組態(tài)后功能塊模塊的執(zhí)行時間精度、通信調(diào)度發(fā)送周期性報文的時間精度，以及時鐘同步的精度，而且這幾個參數(shù)在很大程度上影響了網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率。μC/OS-II具有任務(wù)執(zhí)行時間的可確定性，可以很好的滿足系統(tǒng)的實時性要求。

（2）EPA設(shè)備可以直接在通信卡的接口上進(jìn)一步開發(fā)實現(xiàn)，同時需要增加用戶層任務(wù)進(jìn)程，而Rabbit2000是8位微處理器，資源比較有限，因此基于任務(wù)可擴(kuò)展性考慮，也應(yīng)該采用占先式任務(wù)調(diào)度方式。

4. 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

4.1 通信協(xié)議的模塊化設(shè)計

從數(shù)據(jù)處理角度上看，EPA設(shè)備通信是對控制過程所需要數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和通過EPA網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪^程，發(fā)送方從上到下各層依次對應(yīng)用進(jìn)程或者管理服務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和封裝，接收方則進(jìn)行解包和處理，將服務(wù)數(shù)據(jù)交給應(yīng)用進(jìn)程。因此，協(xié)議軟件設(shè)計主要是系統(tǒng)各模塊對服務(wù)數(shù)據(jù)的處理程序的設(shè)計。EPA通信卡的功能主要包含系統(tǒng)管理、應(yīng)用服務(wù)、時鐘同步、實時調(diào)度等。需要編寫的功能模塊有EPA服務(wù)棧模塊、套接字映射模塊、時間同步模塊、通信調(diào)度模塊。

（1）EPA服務(wù)棧模塊：系統(tǒng)管理服務(wù)包括設(shè)備查詢、設(shè)備聲明等服務(wù)，應(yīng)用訪問服務(wù)包括域操作服務(wù)、事件操作服務(wù)、變量操作服務(wù)，各種服務(wù)對相應(yīng)的服務(wù)報文進(jìn)行處理。 以域下載服務(wù)為例說明服務(wù)棧的實現(xiàn)流程如圖3示。

（2）EPA套接字映射模塊：對服務(wù)棧數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，并作為與UDP層之間的數(shù)據(jù)接口，其接口函數(shù)包括創(chuàng)建與關(guān)閉EPA套接字函數(shù)、發(fā)送應(yīng)用服務(wù)報文與響應(yīng)報文函數(shù)，發(fā)送系統(tǒng)管理報文與響應(yīng)報文函數(shù)，從UDP層接收應(yīng)用服務(wù)與系統(tǒng)管理報文函數(shù)等。EPA套接字開UDP套接字的實現(xiàn)語句如下：

　　if(!udp_open(&gEPA_AP_Sock, EPA_AP_PORT, -1, EPA_AP_PORT, NULL))

　　SockErr=1;

　　else SockErr=0;

（3）時鐘同步服務(wù)的實現(xiàn)采用IEEE 1588精確時鐘同步協(xié)議，該協(xié)議用于分布式系統(tǒng)中的設(shè)備通過以太網(wǎng)的亞微秒級時鐘同步。設(shè)備與主時鐘通過交換同步報文而實現(xiàn)同步，同步報文分為同步信息(Sync)、附加信息(Follow_Up)、延時請求(Delay_Req)、延時響應(yīng)(Delay_Rsp)四種報文。同步過程分兩個階段，第一階段通過Sync和Follow_Up報文測量時間偏差，第二個階段通過Delay_Req和Delay_Rsp測量延遲（網(wǎng)絡(luò)延遲和協(xié)議棧延遲），進(jìn)一步校正偏差。為了進(jìn)一步減少協(xié)議棧帶來的延遲，可以讓時間同步服務(wù)盡量接近物理層，這里通過修改TCP/IP庫文件實現(xiàn)。

（4）實時調(diào)度的實現(xiàn)，包括時間中斷調(diào)度函數(shù)——判斷是否到達(dá)本設(shè)備的周期報文發(fā)送時間或非周期報文發(fā)送開始時間，以及報文發(fā)送函數(shù)——實現(xiàn)對幾個優(yōu)先級的數(shù)據(jù)隊列報文發(fā)送等。

4.2 在μC/OS-II中的實現(xiàn)

在完成各個模塊的編寫之后，通信協(xié)議在μC/OS-II系統(tǒng)中的實現(xiàn)主要是根據(jù)應(yīng)用要求進(jìn)行任務(wù)的創(chuàng)建、劃分以及任務(wù)間通信與調(diào)度的設(shè)計。因為μC/OS-II在Rabbit2000中的移植已經(jīng)由Dynamic開發(fā)平臺實現(xiàn)，這里不再詳細(xì)介紹。模塊與任務(wù)之間非一一對應(yīng)關(guān)系，因為模塊是基于功能進(jìn)行劃分，而任務(wù)是基于時間優(yōu)先級進(jìn)行劃分。劃分任務(wù)優(yōu)先級就是確定任務(wù)實時性要求的過程。實時性要求越高的，則任務(wù)優(yōu)先級越高，其對應(yīng)的優(yōu)先級號越低。μC/OS-II共支持最多56個用戶任務(wù)，對于本系統(tǒng)來說是綽綽有余的。按照優(yōu)先級由高到低次序的任務(wù)劃分與調(diào)度方案如下：

（1）設(shè)備管理任務(wù)：完成設(shè)備的上電與初始化組態(tài)，之后根據(jù)設(shè)備狀態(tài)機(jī)，在設(shè)備為正?？刹僮鳡顟B(tài)下被掛起，直到設(shè)備狀態(tài)被其他事件改變后由信號量激活。

（2）周期性報文發(fā)送任務(wù)：由時間調(diào)度任務(wù)在宏周期內(nèi)本設(shè)備周期性報文發(fā)送時間到達(dá)時產(chǎn)生中斷激活而進(jìn)入就緒狀態(tài)，在中斷退出后成為最高優(yōu)先級任務(wù)被執(zhí)行，立即發(fā)送周期性報文，發(fā)送完畢即掛起等待下一次激活。

（3）非周期性報文發(fā)送任務(wù)：與任務(wù)（2）相似，在非周期報文發(fā)送時間到被激活，通過調(diào)度算法發(fā)送非周期性報文。以上兩個任務(wù)由于不會在同一時間段執(zhí)行，因此實際運行時的優(yōu)先級是等同的。

（4）功能塊調(diào)度任務(wù)：在組態(tài)的功能塊調(diào)度時間到達(dá)時被激活，或者在控制回路中上一個功能塊執(zhí)行之后被激活，立刻執(zhí)行后掛起。由于首先要確保EPA網(wǎng)絡(luò)通信的確定性，所以此任務(wù)的優(yōu)先級低于前兩個任務(wù)。

（5）時間調(diào)度任務(wù)：通過對網(wǎng)絡(luò)時間的判斷，在到達(dá)以上三個任務(wù)的執(zhí)行時間時進(jìn)入時間中斷函數(shù)，給相應(yīng)的任務(wù)發(fā)送信號量，使任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)，中斷退出即可以執(zhí)行就緒的高優(yōu)先級任務(wù)。根據(jù)時間精度的要求設(shè)置內(nèi)核調(diào)用OSTImeTick的頻率，可以通過#define OS_TICKS_PER_SEC 256，實現(xiàn)每秒256次的Tick頻率。

（6）普通報文接收任務(wù)：套接字映射實體偵聽來自EPA網(wǎng)絡(luò)的報文并根據(jù)需要調(diào)用相應(yīng)的應(yīng)用層服務(wù)處理報文，設(shè)為每100ms執(zhí)行一次。

（7）時鐘同步任務(wù)：獨立接收與發(fā)送時間同步報文，以確保設(shè)備時間與網(wǎng)絡(luò)時間的同步。由于主時鐘發(fā)送Sync報文周期為2秒一次，所以其優(yōu)先級可以低于時間調(diào)度任務(wù)，設(shè)為每2秒執(zhí)行一次。

（8）串口通信任務(wù)：與電動執(zhí)行器進(jìn)行周期性的串口通信，根據(jù)電動執(zhí)行器的物理特性，通信頻率設(shè)為每秒2次，其通信方法在后文中介紹。

各任務(wù)之間采用全局變量或者消息機(jī)制進(jìn)行通信，以完成任務(wù)狀態(tài)機(jī)的變化。任務(wù)堆棧則根據(jù)各任務(wù)的實際需要分配，這里不再詳述。

5. 測試

為了測試通信協(xié)議的實現(xiàn)，使用通信卡的RS-232串口與某型電動執(zhí)行器的異步串行通信接口相連，形成一個EPA現(xiàn)場設(shè)備。EPA通信卡接收來自EPA網(wǎng)絡(luò)的閥位指令并通過串行口傳送給電動執(zhí)行器，電動執(zhí)行器接到閥位指令后向網(wǎng)板發(fā)出應(yīng)答幀，雙方各自一收一發(fā)完成一個周期的通信。通信中網(wǎng)板是主節(jié)點，電動執(zhí)行器為從節(jié)點，每周期通信均是由通信卡發(fā)起，電動執(zhí)行器響應(yīng)。

通過EPA網(wǎng)橋?qū)⒃撛O(shè)備加入EPA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試，經(jīng)過專家組的驗收，該實驗系統(tǒng)成功通過了一致性測試、互可操作性測試等服務(wù)測試，時鐘同步精度也達(dá)到了毫秒級，基本上實現(xiàn)了EPA通信卡的功能。

6. 結(jié)束語

系統(tǒng)實時性要求越高，對硬件的要求也越高，如果要求時鐘同步精度和通信調(diào)度發(fā)送報文的時間精度達(dá)到實際應(yīng)用的水平，并且進(jìn)一步提高EPA設(shè)備通信的可靠性，則需要采用硬件實現(xiàn)的方法，即開發(fā)EPA專用通信芯片，在芯片級實現(xiàn)通信協(xié)議，預(yù)計EPA芯片很快會面世。相信在眾多研究機(jī)構(gòu)與廠商的共同努力下，EPA的推廣應(yīng)用將會取得豐碩的成果。

本文作者創(chuàng)新點：針對EPA通信協(xié)議提出了一種新的實現(xiàn)方法，此方法基于μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)，用多任務(wù)的方式實現(xiàn)了各個協(xié)議實體及其調(diào)度。