EPA通信協(xié)議在μC/OS-II嵌入式系統(tǒng)中的設計與實現(xiàn)
摘要： 本文實現(xiàn)EPA通信協(xié)議的硬件結構如圖2所示，通信卡CPU為RABBIT2000微處理器，它是Rabbit半導體公司所生產的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4～8MB FLASH，對于通信協(xié)議棧和小型控制應用，其存儲空間是足夠的。
Abstract：
Key words :
1. 引言
《用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的EPA系統(tǒng)結構與通信規(guī)范》（以下簡稱EPA）是基于工業(yè)以太網的實時通信規(guī)范，它有效地解決了以太網通信的確定性通信問題，進而可以應用于多種工業(yè)領域，構成各種工業(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國際標準IEC61784-2中，成為我國首例具有自主知識產權的現(xiàn)場總線標準；開發(fā)和實現(xiàn)EPA通信協(xié)議是應用EPA系統(tǒng)的基礎和前提。
μC/OS-II是一種占先機制的實時多任務嵌入式操作系統(tǒng)，具有源碼公開、可移植、可固化、可裁剪等特點，已經得到廣泛的應用。相對于同為源碼公開的μClinux，它具有內核小、實時性高等特點，更適合于控制應用。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性能，其任務間多種通信方法有助于實現(xiàn)各實體協(xié)議狀態(tài)機。
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協(xié)議組件外，有些層增加了部分實體，以適應EPA通信的需求：
增加的用戶層包含EPA功能塊應用進程與非實時應用進程。應用層增加了由EPA系統(tǒng)管理實體、EPA應用訪問實體和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設備管理、應用通信服務、應用層與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通信調度管理實體，對EPA設備向網絡上發(fā)送的報文進行調度管理。調度策略采用分時發(fā)送機制，將報文分為周期報文和非周期報文，按預先組態(tài)的調度方案，在相應的時間段內發(fā)送，以避免碰撞。各設備網絡時間由時間同步組件維護其一致性。EPA管理信息庫為各層協(xié)議實體提供操作所需信息，包括設備描述對象，鏈接對象等。
按照EPA通信協(xié)議，每個EPA設備由至少一個功能塊實例、EPA應用訪問實體、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用，協(xié)同完成設備間通信過程如圖1示。
3. 實現(xiàn)平臺
本文實現(xiàn)EPA通信協(xié)議的硬件結構如圖2所示，通信卡CPU為RABBIT2000" title="RABBIT2000" target="_blank">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" 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title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000微處理器，它是Rabbit半導體公司所生產的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4～8MB FLASH，對于通信協(xié)議棧和小型控制應用，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。
通信卡通過以太網模塊接口與EPA網絡相連，通過串口RS-232與電動執(zhí)行器連接形成一個底層IO設備，掛接在EPA網絡上進行測試。
RABBIT2000支持協(xié)作式（使用costate）和占先式（移植μC/OS-II）多任務模式，選擇占先式模式基于以下兩點考慮：
?。?）對于EPA設備來說，系統(tǒng)實時性是一個很重要的指標，表現(xiàn)在經過組態(tài)后功能塊模塊的執(zhí)行時間精度、通信調度發(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絡帶寬利用率。μC/OS-II具有任務執(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設備可以直接在通信卡的接口上進一步開發(fā)實現(xiàn)，同時需要增加用戶層任務進程，而RABBIT2000是8位微處理器，資源比較有限，因此基于任務可擴展性考慮，也應該采用占先式任務調度方式。
4. 軟件設計與實現(xiàn)
4.1 通信協(xié)議的模塊化設計
從數(shù)據(jù)處理角度上看，EPA設備通信是對控制過程所需要數(shù)據(jù)進行處理和通過EPA網絡傳輸?shù)倪^程，發(fā)送方從上到下各層依次對應用進程或者管理服務數(shù)據(jù)進行處理和封裝，接收方則進行解包和處理，將服務數(shù)據(jù)交給應用進程。因此，協(xié)議軟件設計主要是系統(tǒng)各模塊對服務數(shù)據(jù)的處理程序的設計。EPA通信卡的功能主要包含系統(tǒng)管理、應用服務、時鐘同步、實時調度等。需要編寫的功能模塊有EPA服務棧模塊、套接字映射模塊、時間同步模塊、通信調度模塊。
?。?）EPA服務棧模塊：系統(tǒng)管理服務包括設備查詢、設備聲明等服務，應用訪問服務包括域操作服務、事件操作服務、變量操作服務，各種服務對相應的服務報文進行處理。 以域下載服務為例說明服務棧的實現(xiàn)流程如圖3示。
（2）EPA套接字映射模塊：對服務棧數(shù)據(jù)進行封裝，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)建與關閉EPA套接字函數(shù)、發(fā)送應用服務報文與響應報文函數(shù)，發(fā)送系統(tǒng)管理報文與響應報文函數(shù)，從UDP層接收應用服務與系統(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;
?。?）時鐘同步服務的實現(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)中的設備通過以太網的亞微秒級時鐘同步。設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(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（網絡延遲和協(xié)議棧延遲），進一步校正偏差。為了進一步減少協(xié)議棧帶來的延遲，可以讓時間同步服務盡量接近物理層，這里通過修改TCP/IP庫文件實現(xiàn)。
（4）實時調度的實現(xiàn)，包括時間中斷調度函數(shù)——判斷是否到達本設備的周期報文發(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)應用要求進行任務的創(chuàng)建、劃分以及任務間通信與調度的設計。因為μC/OS-II在RABBIT2000中的移植已經由Dynamic開發(fā)平臺實現(xiàn)，這里不再詳細介紹。模塊與任務之間非一一對應關系，因為模塊是基于功能進行劃分，而任務是基于時間優(yōu)先級進行劃分。劃分任務優(yōu)先級就是確定任務實時性要求的過程。實時性要求越高的，則任務優(yōu)先級越高，其對應的優(yōu)先級號越低。μC/OS-II共支持最多56個用戶任務，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劃分與調度方案如下：
?。?）設備管理任務：完成設備的上電與初始化組態(tài)，之后根據(jù)設備狀態(tài)機，在設備為正?？刹僮鳡顟B(tài)下被掛起，直到設備狀態(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：由時間調度任務在宏周期內本設備周期性報文發(fā)送時間到達時產生中斷激活而進入就緒狀態(tài)，在中斷退出后成為最高優(yōu)先級任務被執(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。
?。?）非周期性報文發(fā)送任務：與任務（2）相似，在非周期報文發(fā)送時間到被激活，通過調度算法發(fā)送非周期性報文。以上兩個任務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）功能塊調度任務：在組態(tài)的功能塊調度時間到達時被激活，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網絡通信的確定性，所以此任務的優(yōu)先級低于前兩個任務。
?。?）時間調度任務：通過對網絡時間的判斷，在到達以上三個任務的執(zhí)行時間時進入時間中斷函數(shù)，給相應的任務發(fā)送信號量，使任務進入就緒狀態(tài)，中斷退出即可以執(zhí)行就緒的高優(yōu)先級任務。根據(jù)時間精度的要求設置內核調用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：套接字映射實體偵聽來自EPA網絡的報文并根據(jù)需要調用相應的應用層服務處理報文，設為每100ms執(zhí)行一次。
?。?）時鐘同步任務：獨立接收與發(fā)送時間同步報文，以確保設備時間與網絡時間的同步。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度任務，設為每2秒執(zhí)行一次。
?。?）串口通信任務：與電動執(zhí)行器進行周期性的串口通信，根據(jù)電動執(zhí)行器的物理特性，通信頻率設為每秒2次，其通信方法在后文中介紹。
各任務之間采用全局變量或者消息機制進行通信，以完成任務狀態(tài)機的變化。任務堆棧則根據(jù)各任務的實際需要分配，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)場設備。EPA通信卡接收來自EPA網絡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板發(fā)出應答幀，雙方各自一收一發(fā)完成一個周期的通信。通信中網板是主節(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。
通過EPA網橋將該設備加入EPA網絡進行測試，經過專家組的驗收，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測試，時鐘同步精度也達到了毫秒級，基本上實現(xiàn)了EPA通信卡的功能。
6. 結束語
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度發(fā)送報文的時間精度達到實際應用的水平，并且進一步提高EPA設備通信的可靠性，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，預計EPA芯片很快會面世。相信在眾多研究機構與廠商的共同努力下，EPA的推廣應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)，用多任務的方式實現(xiàn)了各個協(xié)議實體及其調度。
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