以太網(wǎng)現(xiàn)場總線的跨平臺網(wǎng)絡(luò)通信
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3、以太網(wǎng)總線的跨平臺通信研究
3.1、網(wǎng)絡(luò)通信模式
網(wǎng)絡(luò)中存在多種類型的機(jī)器，這些不同類型的機(jī)器表示數(shù)據(jù)的字節(jié)順序是不同的，即主機(jī)字節(jié)順序不同。而網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序，因?yàn)橹挥胁捎媒y(tǒng)一的字節(jié)順序，才能在不同類型的機(jī)器和不同操作系統(tǒng)間進(jìn)行正確地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。進(jìn)行跨平臺進(jìn)程間的通信時必須要將字節(jié)序轉(zhuǎn)變成網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序進(jìn)行傳遞，并且套接字的建立需要雙方可見的IP地址和端口號。上位機(jī)同以太網(wǎng)現(xiàn)場總線控制器的通信在傳輸層可以選用TCP或UDP協(xié)議，TCP提供的是面向連接的、可靠的數(shù)據(jù)流傳輸，而UDP提供的是非面向連接的、不可靠的數(shù)據(jù)流傳輸。由于EAST極向場電源控制系統(tǒng)具有收發(fā)數(shù)據(jù)多為短消息 ，對響應(yīng)速度要求較高的特點(diǎn)，故采用UDP 面向數(shù)據(jù)報方式。圖三為UDP協(xié)議傳輸下的客戶端/服務(wù)器示意圖.
3.2、Windows平臺的軟件實(shí)現(xiàn)
Windows平臺軟件用Visual C++6.0編程，運(yùn)行在Windows2000環(huán)境下。Visual C++6.0的最大的特色就是提供對面向?qū)ο蠹夹g(shù)的支持，它利用類把大部分與用戶界面設(shè)計(jì)有關(guān)的Windows API函數(shù)封裝起來，通過MFC (Microsoft Foundation Class)類庫的方式提供給開發(fā)人員使用，大大提高了程序代碼的重用性，其功能幾乎包括了Windows應(yīng)用的各個方面。Visual C++6.0還支持多任務(wù)、多線程的編程技術(shù)。
CBlockingSocket 是在Visual C++的Winsock API基礎(chǔ)上的一個簡單包裝，為輔助線程中的同步編程而設(shè)計(jì)的，其優(yōu)點(diǎn)就是能進(jìn)行對錯誤的異常處理和發(fā)送、接收數(shù)據(jù)的超時處理。這一點(diǎn)對極向場電源的實(shí)時控制反應(yīng)能力尤為重要，應(yīng)此Windows平臺軟件網(wǎng)絡(luò)部分程序采用CBlockingSocket編寫。采用UDP客戶機(jī)模式與現(xiàn)場總線通信，同時利用輔助線程進(jìn)行具體的接收和處理數(shù)據(jù)；部分UDP客戶機(jī)模式代碼如下：
CBlockingSocket sClient；
CSockAddr saServer;
saServer =CSockAddr(ip,port2);
try{
sClient.Create(SOCK_DGRAM);//建立套接字
sClient.Connect(saServer);//連接服務(wù)器
AfxBeginThread(Server1ThreadProc, GetSafeHwnd());//啟動接受線程
}
//異常處理
catch(CBlockingSocketException* e){
AfxMessageBox(" error!");
sClient.Cleanup();//關(guān)閉套接字
e->Delete();
}
3.3、QNX平臺的軟件實(shí)現(xiàn)
QNX6.20是一個多任務(wù)、分布式、嵌入式、可擴(kuò)展規(guī)模的符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)的微內(nèi)核實(shí)時操作系統(tǒng)；其內(nèi)核提供4種服務(wù)：進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程間通信、底層網(wǎng)絡(luò)通信和中斷處理；網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序在內(nèi)核外執(zhí)行，為程序員提供了一個單一化的編程接口，忽略所涉及到的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和數(shù)量；QNX6.20系統(tǒng)可以動態(tài)的停止和啟動網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序。
QNX平臺軟件采用ANSI C語言、利用QNX6.20特有的函數(shù)和庫函數(shù)來編寫，運(yùn)行在QNX6.20環(huán)境下。采用BSD Socket API作為套接字應(yīng)用程序接口（Socket API）進(jìn)行TCP/IP通信，部分代碼如下：
sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); //得到一個UDP套接字
server.sin_family = AF_INET;
server.sin_addr.s_addr=inet_addr( HOST_FIELD_CTL );
server.sin_port = htons( PORT_FIELD_CTL ); //填充套接字結(jié)構(gòu)
ioctl( sock, FIONBIO, on )；//設(shè)置非阻塞的UDP傳送
填充MODBUS/TCP幀結(jié)構(gòu)，并調(diào)用sendto（）函數(shù)發(fā)送控制量，recvfrom（）函數(shù)接收狀態(tài)量即可。
3.4 最佳通信周期的確定
在EAST極向場電源控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場總線總是同時與QNX控制層和WINDOWS監(jiān)控層進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,一方面采集現(xiàn)場模擬量和開關(guān)量信號并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸?shù)絈NX實(shí)時層作為計(jì)算機(jī)的反饋輸入信號，接受來自QNX實(shí)時控制層的數(shù)據(jù)包，根據(jù)其內(nèi)容控制現(xiàn)場的諸多開關(guān)、變壓器、整流器等器件；另一方面還要將采集到的現(xiàn)場模擬量和開關(guān)量信號并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸?shù)絎INDOWS監(jiān)控層，用來監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)。在通信過程中要保證實(shí)時通信的穩(wěn)定性，不能出現(xiàn)較大的丟包率。為保證上位機(jī)與現(xiàn)場總線可靠的通信，同時盡量確保其實(shí)時性，必須找出適當(dāng)?shù)耐ㄐ胖芷凇?BR>實(shí)驗(yàn)方法：首先讓上位機(jī)分別在QNX與WINDOWS下運(yùn)行通信程序，交替發(fā)送0、1數(shù)據(jù)包
到同一數(shù)字量輸出模塊，用示波器測量模塊的輸出值，以監(jiān)測數(shù)據(jù)包丟失的情況。同時不斷更改發(fā)送周期，找出無掉包率的最小通信時間，即為最佳通信周期,測出QNX與WINDOWS單獨(dú)對現(xiàn)場總線通信時各自的最佳通信周期. 接著將兩臺上位機(jī)通過交換機(jī)實(shí)現(xiàn)與單個現(xiàn)場總線模塊的連接，讓一臺上位機(jī)在WINDOWS下不斷發(fā)送1信號，另一上位機(jī)在QNX下發(fā)送0信號到同一數(shù)字量模塊，重復(fù)單機(jī)情況下的步驟,找到最佳通信周期.（上位機(jī)均采用Pentium 4 1.8GHz , QNX6.20操作系統(tǒng)，WINDOWS2K系統(tǒng)，以太網(wǎng)現(xiàn)場總線采用WAGO 750系列，SWITCH采用3COM 17206）。
實(shí)驗(yàn)分析：通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)以太網(wǎng)總線雖然通信速度很高100Mb/s，但由于它采用ISO/OSI標(biāo)準(zhǔn)化模型的七層完整結(jié)構(gòu)，其協(xié)議復(fù)雜度比起CAN和PROFIBUS等工業(yè)控制總線要復(fù)雜得多，故其發(fā)送方和接收方開銷很大。當(dāng)一臺上位機(jī)對總線模塊操作時，通信周期為4ms及以上掉包率為0；周期為3ms時掉包率小于0.1％；周期為2ms時統(tǒng)計(jì)掉包率為28.9％；可見通信周期必須在3ms以上才能保證通信正常。當(dāng)兩臺上位機(jī)同時與總線模塊通信時，要保證控制量和狀態(tài)量數(shù)據(jù)的可靠性，不出現(xiàn)掉包，必然要加大通信周期，當(dāng)然通信周期也必須盡可能的小以兼顧實(shí)時性。由于WINDOWS層負(fù)責(zé)監(jiān)控，對實(shí)時性要求不如QNX實(shí)時控制層高，因此我們將QNX下通信周期固定為4ms,通過不斷調(diào)整WINDOWS下的周期來
分析總線模塊的丟包情況確定最佳通信周期，WINDOWS下通信周期為10ms以上時丟包率為0，周期為8ms時丟包率為2.2％，周期為6ms時丟包率為19.7％。綜合考慮系統(tǒng)可靠性和實(shí)時性的因素，將QNX層的最佳通信周期定為4ms,WINDOWS層定為10ms.圖4為最佳通信周期下的示波器監(jiān)測圖。
4 結(jié)論
利用BSD Socket采用API 建立的套接字，使得QNX平臺同Windows平臺能同時與現(xiàn)場總線在基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行通信，并確定了最佳通信周期，滿足系統(tǒng)提出的實(shí)時性和可靠性要求，為EAST裝置的建立打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
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