EPA通信協(xié)議在μC/OS-II嵌入式系統(tǒng)中的設計與實現(xiàn)

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(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(wǎng)國際標準IEC61784-2中，成為我國首例具有自主知識產(chǎn)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(jīng)得到廣泛的應用。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(wǎng)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(diào)度管理實體，對EPA設備向網(wǎng)絡上發(fā)送的報文進行調(diào)度管理。調(diào)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(diào)度方案，在相應的時間段內(nèi)發(fā)送，以避免碰撞。各設備網(wǎng)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(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微處理器，它是Rabbit半導體公司所生產(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(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(wǎng)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：

（1）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(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(diào)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(wǎng)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(diào)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(diào)度模塊。