EPA通信協(xié)議在μC/OS-II嵌入式系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（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(wèn)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(duì)相應(yīng)的服務(wù)報(bào)文進(jìn)行處理。 以域下載服務(wù)為例說(shuō)明服務(wù)棧的實(shí)現(xiàn)流程如圖3示。

（2）EPA套接字映射模塊：對(duì)服務(wù)棧數(shù)據(jù)進(jìn)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(bào)文與響應(yīng)報(bào)文函數(shù)，發(fā)送系統(tǒng)管理報(bào)文與響應(yīng)報(bào)文函數(shù)，從UDP層接收應(yīng)用服務(wù)與系統(tǒng)管理報(bào)文函數(shù)等。EPA套接字開(kāi)UDP套接字的實(shí)現(xiàn)語(yǔ)句如下：

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

SockErr=1;

else SockErr=0;

（3）時(shí)鐘同步服務(wù)的實(shí)現(xiàn)采用IEEE 1588精確時(shí)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(guò)以太網(wǎng)的亞微秒級(jí)時(shí)鐘同步。設(shè)備與主時(shí)鐘通過(guò)交換同步報(bào)文而實(shí)現(xiàn)同步，同步報(bào)文分為同步信息(Sync)、附加信息(Follow_Up)、延時(shí)請(qǐng)求(Delay_Req)、延時(shí)響應(yīng)(Delay_Rsp)四種報(bào)文。同步過(guò)程分兩個(gè)階段，第一階段通過(guò)Sync和Follow_Up報(bào)文測(cè)量時(shí)間偏差，第二個(gè)階段通過(guò)Delay_Req和Delay_Rsp測(cè)量延遲（網(wǎng)絡(luò)延遲和協(xié)議棧延遲），進(jìn)一步校正偏差。為了進(jìn)一步減少協(xié)議棧帶來(lái)的延遲，可以讓時(shí)間同步服務(wù)盡量接近物理層，這里通過(guò)修改TCP/IP庫(kù)文件實(shí)現(xiàn)。

（4）實(shí)時(shí)調(diào)度的實(shí)現(xiàn)，包括時(shí)間中斷調(diào)度函數(shù)――判斷是否到達(dá)本設(shè)備的周期報(bào)文發(fā)送時(shí)間或非周期報(bào)文發(fā)送開(kāi)始時(shí)間，以及報(bào)文發(fā)送函數(shù)――實(shí)現(xiàn)對(duì)幾個(gè)優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)隊(duì)列報(bào)文發(fā)送等。

4.2 在μC/OS-II中的實(shí)現(xiàn)

在完成各個(gè)模塊的編寫(xiě)之后，通信協(xié)議在μC/OS-II系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)主要是根據(jù)應(yīng)用要求進(jìn)行任務(wù)的創(chuàng)建、劃分以及任務(wù)間通信與調(diào)度的設(shè)計(jì)。因?yàn)棣?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/C/OS-II">C/OS-II在RABBIT2000中的移植已經(jīng)由Dynamic開(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，這里不再詳細(xì)介紹。模塊與任務(wù)之間非一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，因?yàn)槟K是基于功能進(jìn)行劃分，而任務(wù)是基于時(shí)間優(yōu)先級(jí)進(jìn)行劃分。劃分任務(wù)優(yōu)先級(jí)就是確定任務(wù)實(shí)時(shí)性要求的過(guò)程。實(shí)時(shí)性要求越高的，則任務(wù)優(yōu)先級(jí)越高，其對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)號(hào)越低。μC/OS-II共支持最多56個(gè)用戶任務(wù)，對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是綽綽有余的。按照優(yōu)先級(jí)由高到低次序的任務(wù)劃分與調(diào)度方案如下：

（1）設(shè)備管理任務(wù)：完成設(shè)備的上電與初始化組態(tài)，之后根據(jù)設(shè)備狀態(tài)機(jī)，在設(shè)備為正?？刹僮鳡顟B(tài)下被掛起，直到設(shè)備狀態(tài)被其他事件改變后由信號(hào)量激活。

（2）周期性報(bào)文發(fā)送任務(wù)：由時(shí)間調(diào)度任務(wù)在宏周期內(nèi)本設(shè)備周期性報(bào)文發(fā)送時(shí)間到達(dá)時(shí)產(chǎn)生中斷激活而進(jìn)入就緒狀態(tài)，在中斷退出后成為最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)被執(zhí)行，立即發(fā)送周期性報(bào)文，發(fā)送完畢即掛起等待下一次激活。

（3）非周期性報(bào)文發(fā)送任務(wù)：與任務(wù)（2）相似，在非周期報(bào)文發(fā)送時(shí)間到被激活，通過(guò)調(diào)度算法發(fā)送非周期性報(bào)文。以上兩個(gè)任務(wù)由于不會(huì)在同一時(shí)間段執(zhí)行，因此實(shí)際運(yùn)行時(shí)的優(yōu)先級(jí)是等同的。

（4）功能塊調(diào)度任務(wù)：在組態(tài)的功能塊調(diào)度時(shí)間到達(dá)時(shí)被激活，或者在控制回路中上一個(gè)功能塊執(zhí)行之后被激活，立刻執(zhí)行后掛起。由于首先要確保EPA網(wǎng)絡(luò)通信的確定性，所以此任務(wù)的優(yōu)先級(jí)低于前兩個(gè)任務(wù)。

（5）時(shí)間調(diào)度任務(wù)：通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的判斷，在到達(dá)以上三個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間時(shí)進(jìn)入時(shí)間中斷函數(shù)，給相應(yīng)的任務(wù)發(fā)送信號(hào)量，使任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)，中斷退出即可以執(zhí)行就緒的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)。根據(jù)時(shí)間精度的要求設(shè)置內(nèi)核調(diào)用OSTimeTick的頻率，可以通過(guò)#define OS_TICKS_PER_SEC 256，實(shí)現(xiàn)每秒256次的Tick頻率。

（6）普通報(bào)文接收任務(wù)：套接字映射實(shí)體偵聽(tīng)來(lái)自EPA網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文并根據(jù)需要調(diào)用相應(yīng)的應(yīng)用層服務(wù)處理報(bào)文，設(shè)為每100ms執(zhí)行一次。

（7）時(shí)鐘同步任務(wù)：獨(dú)立接收與發(fā)送時(shí)間同步報(bào)文，以確保設(shè)備時(shí)間與網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的同步。由于主時(shí)鐘發(fā)送Sync報(bào)文周期為2秒一次，所以其優(yōu)先級(jí)可以低于時(shí)間調(diào)度任務(wù)，設(shè)為每2秒執(zhí)行一次。

（8）串口通信任務(wù)：與電動(dòng)執(zhí)行器進(jìn)行周期性的串口通信，根據(jù)電動(dòng)執(zhí)行器的物理特性，通信頻率設(shè)為每秒2次，其通信方法在后文中介紹。

各任務(wù)之間采用全局變量或者消息機(jī)制進(jìn)行通信，以完成任務(wù)狀態(tài)機(jī)的變化。任務(wù)堆棧則根據(jù)各任務(wù)的實(shí)際需要分配，這里不再詳述。

5. 測(cè)試

為了測(cè)試通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，使用通信卡的RS-232串口與某型電動(dòng)執(zhí)行器的異步串行通信接口相連，形成一個(gè)EPA現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。EPA通信卡接收來(lái)自EPA網(wǎng)絡(luò)的閥位指令并通過(guò)串行口傳送給電動(dòng)執(zhí)行器，電動(dòng)執(zhí)行器接到閥位指令后向網(wǎng)板發(fā)出應(yīng)答幀，雙方各自一收一發(fā)完成一個(gè)周期的通信。通信中網(wǎng)板是主節(jié)點(diǎn)，電動(dòng)執(zhí)行器為從節(jié)點(diǎn)，每周期通信均是由通信卡發(fā)起，電動(dòng)執(zhí)行器響應(yīng)。

通過(guò)EPA網(wǎng)橋?qū)⒃撛O(shè)備加入EPA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)過(guò)專家組的驗(yàn)收，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)成功通過(guò)了一致性測(cè)試、互可操作性測(cè)試等服務(wù)測(cè)試，時(shí)鐘同步精度也達(dá)到了毫秒級(jí)，基本上實(shí)現(xiàn)了EPA通信卡的功能。

6. 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求越高，對(duì)硬件的要求也越高，如果要求時(shí)鐘同步精度和通信調(diào)度發(fā)送報(bào)文的時(shí)間精度達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的水平，并且進(jìn)一步提高EPA設(shè)備通信的可靠性，則需要采用硬件實(shí)現(xiàn)的方法，即開(kāi)發(fā)EPA專用通信芯片，在芯片級(jí)實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議，預(yù)計(jì)EPA芯片很快會(huì)面世。相信在眾多研究機(jī)構(gòu)與廠商的共同努力下，EPA的推廣應(yīng)用將會(huì)取得豐碩的成果。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：針對(duì)EPA通信協(xié)議提出了一種新的實(shí)現(xiàn)方法，此方法基于μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)，用多任務(wù)的方式實(shí)現(xiàn)了各個(gè)協(xié)議實(shí)體及其調(diào)度。