EPA通信協(xié)議在μC/OS-II的設(shè)計(jì)

1. 引言

《用于工業(yè)測(cè)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(jiǎn)稱(chēng)EPA)是基于工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)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(wèn)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(cè)量與控制系統(tǒng)。該規(guī)范將收錄在制定中的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61784-2中，成為我國(guó)首例具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn);開(kāi)發(fā)和實(shí)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(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)，具有源碼公開(kāi)、可移植、可固化、可裁剪等特點(diǎn)，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。相對(duì)于同為源碼公開(kāi)的μClinux，它具有內(nèi)核小、實(shí)時(shí)性高等特點(diǎn)，更適合于控制應(yīng)用。μC/OS-II作為EPA通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，能夠較大的提高系統(tǒng)資源利用率，利用優(yōu)先級(jí)劃分獲得較好的實(shí)時(shí)響應(yīng)性能，其任務(wù)間多種通信方法有助于實(shí)現(xiàn)各實(shí)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(kāi)放系統(tǒng)互連模型(ISO 7498)的第一、二、三、四和七層，并增加用戶(hù)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(shí)體，以適應(yīng)EPA通信的需求：

增加的用戶(hù)層包含EPA功能塊應(yīng)用進(jìn)程與非實(shí)時(shí)應(yīng)用進(jìn)程。應(yīng)用層增加了由EPA系統(tǒng)管理實(shí)體、EPA應(yīng)用訪問(wèn)實(shí)體和EPA套接字映射實(shí)體組成的EPA協(xié)議，三個(gè)實(shí)體分別實(shí)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(shí)體之間的映射接口和報(bào)文優(yōu)先發(fā)送管理、報(bào)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(shí)體，對(duì)EPA設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送的報(bào)文進(jìn)行調(diào)度管理。調(diào)度策略采用分時(shí)發(fā)送機(jī)制，將報(bào)文分為周期報(bào)文和非周期報(bào)文，按預(yù)先組態(tài)的調(diào)度方案，在相應(yīng)的時(shí)間段內(nèi)發(fā)送，以避免碰撞。各設(shè)備網(wǎng)絡(luò)時(shí)間由時(shí)間同步組件維護(hù)其一致性。EPA管理信息庫(kù)為各層協(xié)議實(shí)體提供操作所需信息，包括設(shè)備描述對(duì)象，鏈接對(duì)象等。

按照EPA通信協(xié)議，每個(gè)EPA設(shè)備由至少一個(gè)功能塊實(shí)例、EPA應(yīng)用訪問(wèn)實(shí)體、EPA系統(tǒng)管理實(shí)體、EPA套接字映射實(shí)體、EPA鏈接對(duì)象、通信調(diào)度管理實(shí)體以及UDP/IP協(xié)議等幾個(gè)部分組成。各個(gè)實(shí)體和對(duì)象通過(guò)互相調(diào)用，協(xié)同完成設(shè)備間通信過(guò)程如圖1示：

3. 實(shí)現(xiàn)平臺(tái)

本文實(shí)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(gè)通用I/O引腳。內(nèi)建日歷、時(shí)鐘、看門(mén)狗、定時(shí)器、多級(jí)中斷、雙DMA通道，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為128K靜態(tài)存儲(chǔ)器和 256K 動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器，可外擴(kuò)4～8MB FLASH，對(duì)于通信協(xié)議棧和小型控制應(yīng)用，其存儲(chǔ)空間是足夠的。

由zworld公司提供的基于Dynamic C的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)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(dòng)函數(shù)庫(kù);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(chǔ)系統(tǒng)或用戶(hù)數(shù)據(jù);開(kāi)源的協(xié)議庫(kù)不但縮短了軟件開(kāi)發(fā)周期，而且便于修改以更好的實(shí)現(xiàn)EPA通信協(xié)議。

通信卡通過(guò)以太網(wǎng)模塊接口與EPA網(wǎng)絡(luò)相連，通過(guò)串口RS-232與電動(dòng)執(zhí)行器連接形成一個(gè)底層IO設(shè)備，掛接在EPA網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行測(cè)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(diǎn)考慮：

(1)對(duì)于EPA設(shè)備來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性是一個(gè)很重要的指標(biāo)，表現(xiàn)在經(jīng)過(guò)組態(tài)后功能塊模塊的執(zhí)行時(shí)間精度、通信調(diào)度發(fā)送周期性報(bào)文的時(shí)間精度，以及時(shí)鐘同步的精度，而且這幾個(gè)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(shí)間的可確定性，可以很好的滿(mǎn)足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)需要增加用戶(hù)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(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 通信協(xié)議的模塊化設(shè)計(jì)

從數(shù)據(jù)處理角度上看，EPA設(shè)備通信是對(duì)控制過(guò)程所需要數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和通過(guò)EPA網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪^(guò)程，發(fā)送方從上到下各層依次對(duì)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(jì)主要是系統(tǒng)各模塊對(duì)服務(wù)數(shù)據(jù)的處理程序的設(shè)計(jì)。EPA通信卡的功能主要包含系統(tǒng)管理、應(yīng)用服務(wù)、時(shí)鐘同步、實(shí)時(shí)調(diào)度等。需要編寫(xiě)的功能模塊有EPA服務(wù)棧模塊、套接字映射模塊、時(shí)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(xún)、設(shè)備聲明等服務(wù)，應(yīng)用訪問(wèn)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(duì)相應(yīng)的服務(wù)報(bào)文進(jìn)行處理。 以域下載服務(wù)為例說(shuō)明服務(wù)棧的實(shí)現(xiàn)流程如圖3示。

(2)EPA套接字映射模塊：對(duì)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(bào)文與響應(yīng)報(bào)文函數(shù)，發(fā)送系統(tǒng)管理報(bào)文與響應(yīng)報(bào)文函數(shù)，從UDP層接收應(yīng)用服務(wù)與系統(tǒng)管理報(bào)文函數(shù)等。EPA套接字開(kāi)UDP套接字的實(shí)現(xiàn)語(yǔ)句如下：

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

SockErr=1;

else SockErr=0;

(3)時(shí)鐘同步服務(wù)的實(shí)現(xiàn)采用IEEE 1588精確時(shí)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(guò)以太網(wǎng)的亞微秒級(jí)時(shí)鐘同步。設(shè)備與主時(shí)鐘通過(guò)交換同步報(bào)文而實(shí)現(xiàn)同步，同步報(bào)文分為同步信息(Sync)、附加信息(Follow_Up)、延時(shí)請(qǐng)求(Delay_Req)、延時(shí)響應(yīng)(Delay_Rsp)四種報(bào)文。同步過(guò)程分兩個(gè)階段，第一階段通過(guò)Sync和Follow_Up報(bào)文測(cè)量時(shí)間偏差，第二個(gè)階段通過(guò)Delay_Req和Delay_Rsp測(cè)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(lái)的延遲，可以讓時(shí)間同步服務(wù)盡量接近物理層，這里通過(guò)修改TCP/IP庫(kù)文件實(shí)現(xiàn)。