EPA通信協(xié)議在μC/OS-II的設(shè)計

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。

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)用進程與非實時應(yīng)用進程。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(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一步開發(fā)實現(xiàn)，同時需要增加用戶層任務(wù)進程，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)用進程或者管理服務(wù)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(wù)數(shù)據(jù)交給應(yīng)用進程。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(wù)盡量接近物理層，這里通過修改TCP/IP庫文件實現(xiàn)。