EPA通信协议在μC/OS-Ⅱ中的设计与实现 - 工业/测控 - 电子工

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<strong>1. 引言</strong>

《用于工业测量与控制系统的EPA系统结构与通信规范》（以下简称EPA）是基于工业以太网的实时通信规范，它有效地解决了以太网通信的确定性通信问题，进而可以应用于多种工业领域，构成各种工业测量与控制系统。该规范将收录在制定中的实时以太网国际标准IEC61784-2中，成为我国首例具有自主知识产权的现场总线标准；开发和实现EPA通信协议是应用EPA系统的基础和前提。

μC/OS-II是一种占先机制的实时多任务嵌入式操作系统，具有源码公开、可移植、可固化、可裁剪等特点，已经得到广泛的应用。相对于同为源码公开的μClinux，它具有内核小、实时性高等特点，更适合于控制应用。μC/OS-II作为EPA通信协议的实现平台，能够较大的提高系统资源利用率，利用优先级划分获得较好的实时响应性能，其任务间多种通信方法有助于实现各实体协议状态机。

<strong>2. EPA通信协议与模型</strong>

EPA系统采用ISO/OSI开放系统互连模型（ISO 7498）的第一、二、三、四和七层，并增加用户层。系统中除了采用普通以太网协议组件外，有些层增加了部分实体，以适应EPA通信的需求：

增加的用户层包含EPA功能块应用进程与非实时应用进程。应用层增加了由EPA系统管理实体、EPA应用访问实体和EPA套接字映射实体组成的 EPA协议，三个实体分别实现EPA设备管理、应用通信服务、应用层与UDP/IP软件实体之间的映射接口和报文优先发送管理、报文封装、响应信息返回、链路状况监视等功能。在MAC层和IP层之间增加EPA通信调度管理实体，对EPA设备向网络上发送的报文进行调度管理。调度策略采用分时发送机制，将报文分为周期报文和非周期报文，按预先组态的调度方案，在相应的时间段内发送，以避免碰撞。各设备网络时间由时间同步组件维护其一致性。EPA管理信息库为各层协议实体提供操作所需信息，包括设备描述对象，链接对象等。

按照EPA通信协议，每个EPA设备由至少一个功能块实例、EPA应用访问实体、EPA系统管理实体、EPA套接字映射实体、EPA链接对象、通信调度管理实体以及UDP/IP协议等几个部分组成。各个实体和对象通过互相调用，协同完成设备间通信过程如图1示：


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<strong>3. 实现平台</strong>

本文实现EPA通信协议的硬件结构如图2所示，通信卡CPU为RABBIT2000微处理器，它是Rabbit半导体公司所生产的8位微处理器，工作主频22.1MHZ，工作电压5V，具有40个通用I/O引脚。内建日历、时钟、看门狗、定时器、多级中断、双DMA通道，数据存储为128K静态存储器和 256K 动态存储器，可外扩4～8MB FLASH，对于通信协议栈和小型控制应用，其存储空间是足够的。


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由zworld公司提供的基于Dynamic C的软件开发平台集编程、编译、链接、调试、下载于一体，提供完善的TCP/IP协议栈，支持全功能RS232/485通信，配备了各种I/O驱动函数库；文件管理系统可在FLASH或SRAM上建立数据文件，便于存储系统或用户数据；开源的协议库不但缩短了软件开发周期，而且便于修改以更好的实现 EPA通信协议。

通信卡通过以太网模块接口与EPA网络相连，通过串口RS-232与电动执行器连接形成一个底层IO设备，挂接在EPA网络上进行测试。

RABBIT2000支持协作式（使用costate）和占先式（移植μC/OS-II）多任务模式，选择占先式模式基于以下两点考虑：

（1）对于EPA设备来说，系统实时性是一个很重要的指标，表现在经过组态后功能块模块的执行时间精度、通信调度发送周期性报文的时间精度，以及时钟同步的精度，而且这几个参数在很大程度上影响了网络带宽利用率。μC/OS-II具有任务执行时间的可确定性，可以很好的满足系统的实时性要求。

（2）EPA设备可以直接在通信卡的接口上进一步开发实现，同时需要增加用户层任务进程，而RABBIT2000是8位微处理器，资源比较有限，因此基于任务可扩展性考虑，也应该采用占先式任务调度方式。

<strong>4. 软件设计与实现</strong>

4.1 通信协议的模块化设计

从数据处理角度上看，EPA设备通信是对控制过程所需要数据进行处理和通过EPA网络传输的过程，发送方从上到下各层依次对应用进程或者管理服务数据进行处理和封装，接收方则进行解包和处理，将服务数据交给应用进程。因此，协议软件设计主要是系统各模块对服务数据的处理程序的设计。EPA通信卡的功能主要包含系统管理、应用服务、时钟同步、实时调度等。需要编写的功能模块有EPA服务栈模块、套接字映射模块、时间同步模块、通信调度模块。

（1）EPA服务栈模块：系统管理服务包括设备查询、设备声明等服务，应用访问服务包括域操作服务、事件操作服务、变量操作服务，各种服务对相应的服务报文进行处理。 以域下载服务为例说明服务栈的实现流程如图3示。


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（2）EPA套接字映射模块：对服务栈数据进行封装，并作为与UDP层之间的数据接口，其接口函数包括创建与关闭EPA套接字函数、发送应用服务报文与响应报文函数，发送系统管理报文与响应报文函数，从UDP层接收应用服务与系统管理报文函数等。EPA套接字开UDP套接字的实现语句如下：

if(!udp_open(&gEPA_AP_Sock, EPA_AP_PORT, -1, EPA_AP_PORT, NULL))

SockErr=1;

else SockErr=0;

（3）时钟同步服务的实现采用IEEE 1588精确时钟同步协议，该协议用于分布式系统中的设备通过以太网的亚微秒级时钟同步。设备与主时钟通过交换同步报文而实现同步，同步报文分为同步信息(Sync)、附加信息(Follow_Up)、延时请求(Delay_Req)、延时响应(Delay_Rsp)四种报文。同步过程分两个阶段，第一阶段通过Sync和 Follow_Up报文测量时间偏差，第二个阶段通过Delay_Req和Delay_Rsp测量延迟（网络延迟和协议栈延迟），进一步校正偏差。为了进一步减少协议栈带来的延迟，可以让时间同步服务尽量接近物理层，这里通过修改TCP/IP库文件实现。

（4）实时调度的实现，包括时间中断调度函数——判断是否到达本设备的周期报文发送时间或非周期报文发送开始时间，以及报文发送函数——实现对几个优先级的数据队列报文发送等。

4.2 在μC/OS-II中的实现

在完成各个模块的编写之后，通信协议在μC/OS-II系统中的实现主要是根据应用要求进行任务的创建、划分以及任务间通信与调度的设计。因为μC /OS-II在RABBIT2000中的移植已经由Dynamic开发平台实现，这里不再详细介绍。模块与任务之间非一一对应关系，因为模块是基于功能进行划分，而任务是基于时间优先级进行划分。划分任务优先级就是确定任务实时性要求的过程。实时性要求越高的，则任务优先级越高，其对应的优先级号越低。 μC/OS-II共支持最多56个用户任务，对于本系统来说是绰绰有余的。按照优先级由高到低次序的任务划分与调度方案如下：

（1）设备管理任务：完成设备的上电与初始化组态，之后根据设备状态机，在设备为正常可操作状态下被挂起，直到设备状态被其他事件改变后由信号量激活。

（2）周期性报文发送任务：由时间调度任务在宏周期内本设备周期性报文发送时间到达时产生中断激活而进入就绪状态，在中断退出后成为最高优先级任务被执行，立即发送周期性报文，发送完毕即挂起等待下一次激活。

（3）非周期性报文发送任务：与任务（2）相似，在非周期报文发送时间到被激活，通过调度算法发送非周期性报文。以上两个任务由于不会在同一时间段执行，因此实际运行时的优先级是等同的。

（4）功能块调度任务：在组态的功能块调度时间到达时被激活，或者在控制回路中上一个功能块执行之后被激活，立刻执行后挂起。由于首先要确保EPA 网络通信的确定性，所以此任务的优先级低于前两个任务。

（5）时间调度任务：通过对网络时间的判断，在到达以上三个任务的执行时间时进入时间中断函数，给相应的任务发送信号量，使任务进入就绪状态，中断退出即可以执行就绪的高优先级任务。根据时间精度的要求设置内核调用OSTimeTick的频率，可以通过#define OS_TICKS_PER_SEC 256，实现每秒256次的Tick频率。

（6）普通报文接收任务：套接字映射实体侦听来自EPA网络的报文并根据需要调用相应的应用层服务处理报文，设为每100ms执行一次。

（7）时钟同步任务：独立接收与发送时间同步报文，以确保设备时间与网络时间的同步。由于主时钟发送Sync报文周期为2秒一次，所以其优先级可以低于时间调度任务，设为每2秒执行一次。

（8）串口通信任务：与电动执行器进行周期性的串口通信，根据电动执行器的物理特性，通信频率设为每秒2次，其通信方法在后文中介绍。

各任务之间采用全局变量或者消息机制进行通信，以完成任务状态机的变化。任务堆栈则根据各任务的实际需要分配，这里不再详述。

<strong>5. 测试</strong>

为了测试通信协议的实现，使用通信卡的RS-232串口与某型电动执行器的异步串行通信接口相连，形成一个EPA现场设备。EPA通信卡接收来自 EPA网络的阀位指令并通过串行口传送给电动执行器，电动执行器接到阀位指令后向网板发出应答帧，双方各自一收一发完成一个周期的通信。通信中网板是主节点，电动执行器为从节点，每周期通信均是由通信卡发起，电动执行器响应。

通过EPA网桥将该设备加入EPA网络进行测试，经过专家组的验收，该实验系统成功通过了一致性测试、互可操作性测试等服务测试，时钟同步精度也达到了毫秒级，基本上实现了EPA通信卡的功能。

<strong>6. 结束语</strong>

系统实时性要求越高，对硬件的要求也越高，如果要求时钟同步精度和通信调度发送报文的时间精度达到实际应用的水平，并且进一步提高EPA设备通信的可靠性，则需要采用硬件实现的方法，即开发EPA专用通信芯片，在芯片级实现通信协议，预计EPA芯片很快会面世。相信在众多研究机构与厂商的共同努力下，EPA的推广应用将会取得丰硕的成果。

本文作者创新点：针对EPA通信协议提出了一种新的实现方法，此方法基于μC/OS-II嵌入式操作系统，用多任务的方式实现了各个协议实体及其调度。

<strong>参考文献</strong>

1. 阳宪惠 工业数据通信与控制网络 2003
2. 拉伯罗斯.邵贝贝 嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ 2003
3. 阮冬茹.谢东光 基于EPA 的工业以太网确定性研究 [期刊论文] -微计算机信息2006(7)

作者：谷海波(100084,北京,清华大学自动化系;100029,北京,中国安全生产科学研究院) 杨佃福 桂康(100084,北京,清华大学自动化系)