基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

一、引言
隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的不斷發(fā)展，諸如計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等不斷地引入到自動(dòng)控制領(lǐng)域，大大地促進(jìn)了新一代控制系統(tǒng)——現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)的發(fā)展。
隨著嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的日益結(jié)合，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)中引入TCP/IP協(xié)議棧，以支持嵌入式設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，成為嵌入式領(lǐng)域重要的研究方向。
本文將介紹基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)。其中所介紹的現(xiàn)場(chǎng)總線是WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線;實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)是μC/OS-Ⅱ。
二、WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線和μC/OS-Ⅱ簡(jiǎn)介
l.WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介
WorldFIP FCS是一種用于自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總統(tǒng)提供現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制器以及控制器之間的數(shù)字化連接。WorldFIP FCS適合各種應(yīng)用結(jié)構(gòu):集中、分散和主從;其開放性使不同制造廠家的設(shè)備能夠互操作。WorldFIP除了具備現(xiàn)場(chǎng)總線的一般特點(diǎn)，如數(shù)字化，標(biāo)準(zhǔn)化，節(jié)省布線，安裝方便，維護(hù)性好，互換性和互操作性等，還具有很多獨(dú)到之處，如協(xié)議單一、抗干擾能力強(qiáng)、帶調(diào)度的總線訪問控制等。
2.實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ簡(jiǎn)介
嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ是基于優(yōu)先級(jí)的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，其內(nèi)核可以簡(jiǎn)單地看做是一個(gè)多任務(wù)的調(diào)度器，在這個(gè)任務(wù)調(diào)度器之上完善并添加了和實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)相關(guān)的一些系統(tǒng)服務(wù)，如任務(wù)管理、時(shí)間管理、信號(hào)量、郵箱等。它的90%的代碼都是用C語(yǔ)言編寫的，因此μC/OS-Ⅱ具有良好的可移植性。移植工作的絕大部分都集中在多任務(wù)切換的實(shí)現(xiàn)上，由于這部分代碼主要是用來(lái)保存和恢復(fù)處理器現(xiàn)場(chǎng)(即相關(guān)寄存器)，與處理器硬件相關(guān)，因此只能使用特定的處理器匯編語(yǔ)言完成。在本文嵌入式網(wǎng)關(guān)的開發(fā)過程中，以開源TCP/IP協(xié)議棧LwIP為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了μC/OS-Ⅱ的網(wǎng)絡(luò)支持功能。LwIP實(shí)現(xiàn)了 TCP/IP的主要協(xié)議如TCP、UDP、ICMP、IP、ARP，其優(yōu)點(diǎn)是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對(duì)資源的占用，使得LwIP協(xié)議棧非常適合在低端嵌入式系統(tǒng)中使用。
三、嵌入式網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的嵌入式網(wǎng)關(guān)的主要功能是實(shí)現(xiàn)WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線和Internet之間的相互通信時(shí)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制中管理層和現(xiàn)場(chǎng)控制層之間的無(wú)縫結(jié)合，使得WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線成為一個(gè)真正開放的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)?？刂葡到y(tǒng)模型如圖1所示。

網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)過程中，自上而下分為三層:應(yīng)用/任務(wù)層、操作系統(tǒng)層和硬件層。分層結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(一)硬件層設(shè)計(jì)
硬件層設(shè)計(jì)主要包括選擇合適的芯片及進(jìn)行原理設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中，選用Samsung公司的ARM 32bits芯片s3c451Ob微處理器，它的運(yùn)行速率為5OMHz，帶有Ethernet控制器;網(wǎng)卡芯片使用ICS1890;WorldFIP側(cè)選用的芯片是符合WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的專用芯片(Fullfip2、FIPDUAL等)；CPLD選用ALTERA公司的EPM7128SLC84，主要用于s3c4510b和Fullfip2之間的時(shí)序匹配和邏輯組合；SDRAM選用Hynix的HY57v64323220，主要用于任務(wù)堆棧和中間變量；flash選用SST的39VF169，主要用于存放程序；SRAM選用ISSI的IC61C1024，主要用于存放Fullfip2的微碼和中間變量。硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(二)操作系統(tǒng)層設(shè)計(jì)
操作系統(tǒng)層設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是在系統(tǒng)硬件平臺(tái)上構(gòu)建一個(gè)工作平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)上建立應(yīng)用程序、創(chuàng)建任務(wù)等。操作系統(tǒng)層設(shè)計(jì)主要包括三部分：