基于嵌入式實時操作系統(tǒng)的現(xiàn)場總線網(wǎng)關的設計

一、引言
隨著現(xiàn)場總線技術的不斷發(fā)展，諸如計算機技術、通信技術等不斷地引入到自動控制領域，大大地促進了新一代控制系統(tǒng)——現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)的發(fā)展。
隨著嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡的日益結合，在嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS)中引入TCP/IP協(xié)議棧，以支持嵌入式設備接入網(wǎng)絡，成為嵌入式領域重要的研究方向。
本文將介紹基于嵌入式實時操作系統(tǒng)的現(xiàn)場總線網(wǎng)關的設計。其中所介紹的現(xiàn)場總線是WorldFIP現(xiàn)場總線;實時操作系統(tǒng)(RTOS)是μC/OS-Ⅱ。
二、WorldFIP現(xiàn)場總線和μC/OS-Ⅱ簡介
l.WorldFIP現(xiàn)場總線簡介
WorldFIP FCS是一種用于自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場總統(tǒng)提供現(xiàn)場設備和控制器以及控制器之間的數(shù)字化連接。WorldFIP FCS適合各種應用結構:集中、分散和主從;其開放性使不同制造廠家的設備能夠互操作。WorldFIP除了具備現(xiàn)場總線的一般特點，如數(shù)字化，標準化，節(jié)省布線，安裝方便，維護性好，互換性和互操作性等，還具有很多獨到之處，如協(xié)議單一、抗干擾能力強、帶調(diào)度的總線訪問控制等。
2.實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ簡介
嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ是基于優(yōu)先級的搶占式實時多任務操作系統(tǒng)，其內(nèi)核可以簡單地看做是一個多任務的調(diào)度器，在這個任務調(diào)度器之上完善并添加了和實時多任務操作系統(tǒng)相關的一些系統(tǒng)服務，如任務管理、時間管理、信號量、郵箱等。它的90%的代碼都是用C語言編寫的，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切換的實現(xiàn)上，由于這部分代碼主要是用來保存和恢復處理器現(xiàn)場(即相關寄存器)，與處理器硬件相關，因此只能使用特定的處理器匯編語言完成。在本文嵌入式網(wǎng)關的開發(fā)過程中，以開源TCP/IP協(xié)議棧LwIP為基礎，實現(xiàn)了μC/OS-Ⅱ的網(wǎng)絡支持功能。LwIP實現(xiàn)了 TCP/IP的主要協(xié)議如TCP、UDP、ICMP、IP、ARP，其優(yōu)點是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎上減少對資源的占用，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)關的設計
本設計所設計的嵌入式網(wǎng)關的主要功能是實現(xiàn)WorldFIP現(xiàn)場總線和Internet之間的相互通信時的協(xié)議轉換，從而實現(xiàn)工業(yè)控制中管理層和現(xiàn)場控制層之間的無縫結合，使得WorldFIP現(xiàn)場總線成為一個真正開放的工業(yè)控制網(wǎng)絡?？刂葡到y(tǒng)模型如圖1所示。

網(wǎng)關的設計過程中，自上而下分為三層:應用/任務層、操作系統(tǒng)層和硬件層。分層結構如圖2所示。

(一)硬件層設計
硬件層設計主要包括選擇合適的芯片及進行原理設計。在本設計中，選用Samsung公司的ARM 32bits芯片s3c451Ob微處理器，它的運行速率為5OMHz，帶有Ethernet控制器;網(wǎng)卡芯片使用ICS1890;WorldFIP側選用的芯片是符合WorldFIP現(xiàn)場總線協(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之間的時序匹配和邏輯組合；SDRAM選用Hynix的HY57v64323220，主要用于任務堆棧和中間變量；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。硬件結構如圖3所示。

(二)操作系統(tǒng)層設計
操作系統(tǒng)層設計的主要內(nèi)容是在系統(tǒng)硬件平臺上構建一個工作平臺，在這個平臺上建立應用程序、創(chuàng)建任務等。操作系統(tǒng)層設計主要包括三部分：