Linux2.6下自主設計的PROFIBUS-DP單主站的實時性研究

在目前的工業(yè)現(xiàn)場總線中，對實時性的要求越來越高，實時性指標也成為工廠選擇總線時的一個重要因素。PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線作為目前國際上的一種通用現(xiàn)場總線標準，隨著生產(chǎn)工藝對控制要求的提高，控制系統(tǒng)的實時性能要求也越來越高。
為了提高PROFIBUS-DP總線的實時性，本文在嚴格按照協(xié)議完成自主設計的PROFIBUS-DP單主站情況下，探討使用Linux操作系統(tǒng)提高PROFIBUS-DP總線實時性的方案，以及在單主站情況下提高PROFIBUS-DP總線實時性的可行性。
1 PROFIBUS-DP實時性分析
實時性能主要體現(xiàn)在MAC層協(xié)議上，不同的總線采用不同的MAC子層協(xié)議，PROFIBUS-DP采用的是簡化令牌總線協(xié)議。同時，測控周期是衡量PROFIBUS-DP系統(tǒng)實時性能的主要指標。
1.1 PROFIBUS-DP的MAC層協(xié)議
PROFIBUS-DP采用簡化總線令牌總線協(xié)議作為MAC層標準，其總線設備包括主站（1類主站和2類主站）和從站，系統(tǒng)組成如圖1所示。

對總線上的每一個站點分配一個地址，主站地址組成一個邏輯環(huán)，持有令牌的主站可以在持有令牌期間輪詢訪問從站。
PROFIBUS-DP的介質(zhì)訪問控制協(xié)議(MAC)包括主站之間通過占有令牌取得總線的占有權(quán)的主主通信和主站與從站之間的主從通信兩部分。本文考慮的是一個單主站系統(tǒng)，所以只探討主從通信部分的實時性。
1.2 測控周期
測控周期是指控制系統(tǒng)周期性訪問網(wǎng)絡上同一節(jié)點的時間間隔，記為Dcycle，它是衡量PROFIBUS-DP系統(tǒng)實時性的一個重要指標。它主要由周期性數(shù)據(jù)交換時間Tcycle、主站維護時間TGAP和非周期性數(shù)據(jù)交換時間Tacycle（包括參數(shù)配置、從站數(shù)據(jù)診斷、通信接口配置等）三部分組成。
所以，當主站第一次上電，第一次與從站進行通信時，單主站的測控周期可表示為：

其中N表示系統(tǒng)中的從站個數(shù)。
1.2.1 周期性數(shù)據(jù)交換時間Tcycle
一次典型的數(shù)據(jù)交換過程如圖2所示。

其中，Tbit表示在總線上傳輸1位所耗用的時間，是其他時間參數(shù)的計量單位。由于PROFIBUS-DP采用UART編碼方式，每個字符由11位組成，所以傳輸一個字符需要11Tbit。
從圖2可知，一個報文循環(huán)由主動幀（請求或發(fā)送/請求幀）和回答幀組成。循環(huán)時間由幀傳輸時間、傳輸延遲時間和站延遲時間組成。所以：

1.2.2 主站維護時間TGAP
當總線上同時存在多個從站時，主站需要與總線上的每個從站進行數(shù)據(jù)交換。對于單主站系統(tǒng)，該主站將一直持有令牌。所以，當主站處理完與一個從站的周期信息后，就會發(fā)出Request_FDL_Status去查詢GAP中的一個地址，更新NS值，查找是否有其他從站已經(jīng)在總線上等待與主站通信。
由于PROFIBUS-DP主站是按地址遞增順序查找從站，并且Request_FDL_Status采用的是以SD1為起始符的報文幀，實際上，從站隨時都監(jiān)聽著總線上的數(shù)據(jù)，所以當報文幀中從站地址與自身地址相同后，從站就會傳遞應答幀給主站。
在實際應用中，總線上的從站地址一般都按順序排列（如從站5、從站6、從站7），很少出現(xiàn)跳躍，通常為：

2 Linux2.6下PROFIBUS-DP的實時性分析
由于是自主設計的PROFIBUS-DP主站(未采用協(xié)議芯片)，所以Tsdr和TID1這兩個參數(shù)完全由程序決定。如果能縮短這兩個時間參數(shù)，則對PROFIBUS-DP的實時性能的提高有很大的意義。
2.1 Linux2.6的實時性分析
Linux2.6內(nèi)核相對以前的Linux內(nèi)核在實時性方面有了很大的增強，包括O(1)調(diào)度器、可搶占式內(nèi)核、改進的線程模型以及對新的NPTL(Native Posix Threading Library)的支持。
2.1.1 可搶占式內(nèi)核
在2.6版的內(nèi)核中，引入了內(nèi)核的可搶占性，只要調(diào)度是安全的，內(nèi)核就可以在任何時間搶占正在執(zhí)行的任務。也就是說，只要沒有持有鎖，內(nèi)核就可以進行搶占。鎖是非搶占區(qū)域的標志，由于內(nèi)核支持SMP，所以，如果沒有持有鎖，則正在執(zhí)行的代碼就是可重入的，也就可以搶占。
2.1.2 定時器
時鐘粒度是否粗糙是制約實時性的一個重要方面。Linux2.6已將終端頻率改為1 000 Hz，即時鐘粒度為1 ms。
2.1.3 虛擬內(nèi)存
Linux2.6內(nèi)核雖然支持虛擬內(nèi)存，但是虛擬內(nèi)存的使用將會帶來系統(tǒng)響應時間的不確定性，所以在移植Linux內(nèi)核時，應盡可能去掉虛擬內(nèi)存虛擬內(nèi)存機制，盡量保證應用程序直接訪問物理內(nèi)存。
2.1.4 調(diào)度策略
Linux2.6中不但支持基于優(yōu)先級的調(diào)度策略，還支持基于比例共享的調(diào)度策略。同時，Linux2.6內(nèi)核進程調(diào)度算法的復雜度為O(1)，這對于進程的切換效率有了很大的提高。

2.2 Linux2.6下PROFIBUS-DP單主站的軟件設計
PROFIBUS-DP單主站的主從通信設計圖如圖3所示。

從“從站通信調(diào)度模塊”開始，該模塊根據(jù)上位機發(fā)送過來的詢問從站在線命令幀對相應的從站數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行初始化，然后調(diào)用“從站是否運行模塊”，判斷從站是否在線；如果在線，就進入“從站通信管理模塊”。在該模塊中，由于已經(jīng)將Linux移植到了該硬件平臺上，所以通過fork()函數(shù)，建立一個進程，單獨處理與特定從站之間的通信；如果有多個從站都進入運行狀態(tài)，則建立多個進程，分享CPU，按一定的調(diào)度策略處理與主站及從站之間的通信。接著，按照PROFIBUS-DP協(xié)議的規(guī)范，調(diào)用相應的“請求幀模塊”，發(fā)送命令幀給從站設備；從站在接收到請求幀后，會在規(guī)定的時間內(nèi)發(fā)送回應幀響應主站，同時，主站在特定的時間內(nèi)會調(diào)用“接收請求幀模塊”，處理接收到的響應幀。
在軟件設計中，采用了一個單獨的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)記錄PROFIBUS-DP主站的狀態(tài)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
typedef struct host_info{
u8 host_addr;
u8 host_mechanism_flag;
u16 Cycle_Interval;
struct host_fc FC;
u32 baud_rate;
u8 baud_index;
}*pHOST;
另外，軟件設計中，對于從站也設計了單獨的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)維護其狀態(tài)。從站的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
typedef struct slave_info{
u8 global_status;
u8 address;
u8 baud_support;
u8 configuration_flag;
……
}*pSlave;
同時，由于有了特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的維護，在主從數(shù)據(jù)的交換過程中，采用了一次性內(nèi)存拷貝技術(shù)（即當讀取到DP從站的輸入數(shù)據(jù)后，直接將對應數(shù)據(jù)填充到輸出幀對應的位置），將大大縮短程序查找內(nèi)存的時間，加快響應速度。
另外，本軟件設計還采用了單緩沖技術(shù)。所謂單緩沖區(qū)是指不考慮通信中待轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)而只保留當前最新的一幀。這樣緩沖區(qū)中隨時都只有一幀有效數(shù)據(jù)，從而提高整個系統(tǒng)的實時性。
2.3 Linux操作系統(tǒng)下PROFIBUS-DP實時性的改善
與無操作系統(tǒng)、由安全使用協(xié)議完成的PROFIBUS-DP單主站相比，使用Linux2.6操作系統(tǒng)后，實時性的改善主要體現(xiàn)在以下幾個方面。
2.3.1 站延遲時間Tsdr
站延遲時間是指接收方從接到請求到產(chǎn)生響應數(shù)據(jù)的時間間隔。在本設計中，由于移植的Linux操作系統(tǒng)已經(jīng)去掉了對虛擬內(nèi)存的支持，所有數(shù)據(jù)都直接存放到物理內(nèi)存中，同時使用了一次性內(nèi)存拷貝技術(shù)，因此加快了數(shù)據(jù)交換的速度。
2.3.2 從站之間的相互切換
在未使用Linux操作系統(tǒng)設計的PROFIBUS-DP單主站中，如果總線上存在多個從站，PROFIBUS0-DP與從站的通信完全由程序的邏輯來保證，這無疑會加大編程人員的難度，如果稍有不慎，可能會導致通信出現(xiàn)混亂，從而出現(xiàn)錯誤。
使用了Linux操作系統(tǒng)后，PROFIBUS-DP主站與各個從站的通信分別由對應的進程處理，總線中有多少個從站，程序中就會有多少個進程。這樣，對各個從站的管理就變成對各個進程的管理，只要選擇合適的調(diào)度策略，則對各個從站的管理就不會出現(xiàn)混亂。同時，Linux2.6內(nèi)核中由于調(diào)度復雜度為O(1)，所以進程切換時間大大縮短，這對提高系統(tǒng)的實時性也有很大好處。
2.3.3 從站響應時間
從站響應時間是指當有新的從站掛到總線上時，PROFIBUS-DP單主站識別該從站的時間。在一般的系統(tǒng)中，PROFIBUS-DP主站通過輪詢識別從站，而在本設計中，當有新的從站掛到總線上時，會通過一個中斷信號告訴該主站，從而與該從站優(yōu)先通信。此設計是為了使系統(tǒng)更具智能性，這是標準PROFIBUS-DP協(xié)議中沒有的。
3 主站平臺實時性能測試
PROFIBUS-DP主站的主從通信的實時性能主要通過測控周期來判斷。搭建測試平臺由一臺PC機（主要用作上位機，向主站下載GSD文件）、自己設計的嵌入式主站平臺(選用的是S3C2410芯片)和3個PROFIBUS-DP從站（ET200S、mm420和自主設計的從站）構(gòu)成，如圖4。

本次測試的比特率選定為9.6 K，同時對三個從站進行組態(tài)，分別測試移植Linux操作系統(tǒng)該主站平臺的測控周期Dtop和移植Linux操作系統(tǒng)后主站的測控周期Dend。
通過試驗，從示波器上的測試圖形可以看出ttop的寬度大于tend的寬度，具體測量后可知：
無操作系統(tǒng)下：Dtop≈297.3 ms
Linux操作系統(tǒng)下：Dend≈10.7 ms
可見，移植Linux操作系統(tǒng)后,能使響應時間大大降低，提高對從站的管理效率。
本文對影響PROFIBUS-DP實時性的因素進行了充分分析，同時，在自主設計的PROFIBUS-DP單主站平臺的基礎上，討論了無操作系統(tǒng)和Linux操作系統(tǒng)下對PROFIBUS-DP系統(tǒng)實時性的影響，提出了提高自主設計的PROFIBUS-DP實時性的方法。最后，通過實際測試，根據(jù)測控周期這個指標比較了兩個實時性之間的差異。
參考文獻
[1] 楊瑞霞．運用狀態(tài)機提高嵌入式軟件效率[J]．單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2009(5)：69-71.
[2] 夏繼強，梁超眾，邢春香.工業(yè)通信用網(wǎng)關(guān)設計及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電子技術(shù)應用，2010，36(2)：118-125.
[3] 劉強，甘勇梅，王兆安.PROFIBUS2DP現(xiàn)場總線通訊接口的開發(fā)[J].電子技術(shù)應用，2006，27(9)：39-41.
[4] 卜志翔，胥軍.PROFIBUS現(xiàn)場總線通信協(xié)議研究[J].現(xiàn)場總線與網(wǎng)絡技術(shù)，2005(8).
[5] 曲輝，葛麗娟.提高嵌入式系統(tǒng)可靠性軟件抗干擾措施[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學學報：自然科學版，2009，30(1)：229-232.
[6] LEE K C，LEE S，LEE H H.Implementation and PID tuning of network-based control systems via Profibus polling network[J].Computer Standards and Interfaces,2004，26(3)：229-240．
[7] SUK L，KYOUNG N H．NDIS-based virtual polling algorithm for IEEE 802.11b for guaranteeing the real-time requirements．Computer Standards Interfaces，2007，29：316-324．