《用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的EPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信規(guī)范》（以下簡稱EPA）是基于工業(yè)以太網(wǎng)的實時通信規(guī)范,，它有效地解決了以太網(wǎng)通信的確定性通信問題,，進(jìn)而可以應(yīng)用于多種工業(yè)領(lǐng)域，構(gòu)成各種工業(yè)測量與控制系統(tǒng),。該規(guī)范將收錄在制定中的實時以太網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61784-2中,，成為我國首例具有自主知識產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)；開發(fā)和實現(xiàn)EPA通信協(xié)議是應(yīng)用EPA系統(tǒng)的基礎(chǔ)和前提,。

　　μC/OS-II是一種占先機制的實時多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng),，具有源碼公開、可移植,、可固化,、可裁剪等特點，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用,。相對于同為源碼公開的μClinux,，它具有內(nèi)核小、實時性高等特點,，更適合于控制應(yīng)用,。μC/OS-II作為EPA通信協(xié)議的實現(xiàn)平臺,，能夠較大的提高系統(tǒng)資源利用率,，利用優(yōu)先級劃分獲得較好的實時響應(yīng)性能，其任務(wù)間多種通信方法有助于實現(xiàn)各實體協(xié)議狀態(tài)機,。

　　2. EPA通信協(xié)議與模型

　　EPA系統(tǒng)采用ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型（ISO 7498）的第一,、二、三,、四和七層,，并增加用戶層。系統(tǒng)中除了采用普通以太網(wǎng)協(xié)議組件外,，有些層增加了部分實體,，以適應(yīng)EPA通信的需求：

　　增加的用戶層包含EPA功能塊應(yīng)用進(jìn)程與非實時應(yīng)用進(jìn)程。應(yīng)用層增加了由EPA系統(tǒng)管理實體,、EPA應(yīng)用訪問實體和EPA套接字映射實體組成的EPA協(xié)議,，三個實體分別實現(xiàn)EPA設(shè)備管理,、應(yīng)用通信服務(wù)、應(yīng)用層與UDP/IP軟件實體之間的映射接口和報文優(yōu)先發(fā)送管理,、報文封裝,、響應(yīng)信息返回、鏈路狀況監(jiān)視等功能,。在MAC層和IP層之間增加EPA通信調(diào)度管理實體,，對EPA設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送的報文進(jìn)行調(diào)度管理。調(diào)度策略采用分時發(fā)送機制,，將報文分為周期報文和非周期報文,，按預(yù)先組態(tài)的調(diào)度方案，在相應(yīng)的時間段內(nèi)發(fā)送,，以避免碰撞,。各設(shè)備網(wǎng)絡(luò)時間由時間同步組件維護(hù)其一致性。EPA管理信息庫為各層協(xié)議實體提供操作所需信息,，包括設(shè)備描述對象,，鏈接對象等。

　　按照EPA通信協(xié)議,，每個EPA設(shè)備由至少一個功能塊實例,、EPA應(yīng)用訪問實體、EPA系統(tǒng)管理實體,、EPA套接字映射實體,、EPA鏈接對象、通信調(diào)度管理實體以及UDP/IP協(xié)議等幾個部分組成,。各個實體和對象通過互相調(diào)用,，協(xié)同完成設(shè)備間通信過程如圖1示。

　　3. 實現(xiàn)平臺

 

　　本文實現(xiàn)EPA通信協(xié)議的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示,，通信卡CPU為RABBIT2000" title="RABBIT2000" target="_blank">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" 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title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000" title="RABBIT2000">RABBIT2000微處理器,，它是Rabbit半導(dǎo)體公司所生產(chǎn)的8位微處理器，工作主頻22.1MHZ,，工作電壓5V,，具有40個通用I/O引腳。內(nèi)建日歷,、時鐘,、看門狗、定時器,、多級中斷,、雙DMA通道，數(shù)據(jù)存儲為128K靜態(tài)存儲器和 256K 動態(tài)存儲器，可外擴(kuò)4～8MB FLASH,，對于通信協(xié)議棧和小型控制應(yīng)用,，其存儲空間是足夠的。

 

　　由zworld公司提供的基于Dynamic C的軟件開發(fā)平臺集編程,、編譯,、鏈接、調(diào)試,、下載于一體,，提供完善的TCP/IP協(xié)議棧，支持全功能RS232/485通信,，配備了各種I/O驅(qū)動函數(shù)庫,；文件管理系統(tǒng)可在FLASH或SRAM上建立數(shù)據(jù)文件，便于存儲系統(tǒng)或用戶數(shù)據(jù),；開源的協(xié)議庫不但縮短了軟件開發(fā)周期,，而且便于修改以更好的實現(xiàn)EPA通信協(xié)議。

 

　　通信卡通過以太網(wǎng)模塊接口與EPA網(wǎng)絡(luò)相連,，通過串口RS-232與電動執(zhí)行器連接形成一個底層IO設(shè)備,，掛接在EPA網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行測試。

 

　　RABBIT2000支持協(xié)作式（使用costate）和占先式（移植μC/OS-II）多任務(wù)模式,，選擇占先式模式基于以下兩點考慮：

 

　?。?）對于EPA設(shè)備來說，系統(tǒng)實時性是一個很重要的指標(biāo),，表現(xiàn)在經(jīng)過組態(tài)后功能塊模塊的執(zhí)行時間精度,、通信調(diào)度發(fā)送周期性報文的時間精度，以及時鐘同步的精度,，而且這幾個參數(shù)在很大程度上影響了網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率,。μC/OS-II具有任務(wù)執(zhí)行時間的可確定性，可以很好的滿足系統(tǒng)的實時性要求,。

 

　?。?）EPA設(shè)備可以直接在通信卡的接口上進(jìn)一步開發(fā)實現(xiàn)，同時需要增加用戶層任務(wù)進(jìn)程,，而RABBIT2000是8位微處理器,，資源比較有限,，因此基于任務(wù)可擴(kuò)展性考慮,，也應(yīng)該采用占先式任務(wù)調(diào)度方式。

 

　　4. 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

　　4.1 通信協(xié)議的模塊化設(shè)計

　　從數(shù)據(jù)處理角度上看,，EPA設(shè)備通信是對控制過程所需要數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和通過EPA網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪^程,，發(fā)送方從上到下各層依次對應(yīng)用進(jìn)程或者管理服務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和封裝，接收方則進(jìn)行解包和處理,，將服務(wù)數(shù)據(jù)交給應(yīng)用進(jìn)程,。因此,，協(xié)議軟件設(shè)計主要是系統(tǒng)各模塊對服務(wù)數(shù)據(jù)的處理程序的設(shè)計。EPA通信卡的功能主要包含系統(tǒng)管理,、應(yīng)用服務(wù),、時鐘同步、實時調(diào)度等,。需要編寫的功能模塊有EPA服務(wù)棧模塊,、套接字映射模塊、時間同步模塊,、通信調(diào)度模塊,。

　　（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)對相應(yīng)的服務(wù)報文進(jìn)行處理。 以域下載服務(wù)為例說明服務(wù)棧的實現(xiàn)流程如圖3示,。

 

　?。?）EPA套接字映射模塊：對服務(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)報文與響應(yīng)報文函數(shù)，發(fā)送系統(tǒng)管理報文與響應(yīng)報文函數(shù),，從UDP層接收應(yīng)用服務(wù)與系統(tǒng)管理報文函數(shù)等,。EPA套接字開UDP套接字的實現(xiàn)語句如下：

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

　　SockErr=1;

　　else SockErr=0;

 

　　（3）時鐘同步服務(wù)的實現(xiàn)采用IEEE 1588精確時鐘同步協(xié)議,，該協(xié)議用于分布式系統(tǒng)中的設(shè)備通過以太網(wǎng)的亞微秒級時鐘同步,。設(shè)備與主時鐘通過交換同步報文而實現(xiàn)同步，同步報文分為同步信息(Sync),、附加信息(Follow_Up),、延時請求(Delay_Req)、延時響應(yīng)(Delay_Rsp)四種報文,。同步過程分兩個階段,，第一階段通過Sync和Follow_Up報文測量時間偏差，第二個階段通過Delay_Req和Delay_Rsp測量延遲（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)議棧帶來的延遲，可以讓時間同步服務(wù)盡量接近物理層，這里通過修改TCP/IP庫文件實現(xiàn),。

 

　?。?）實時調(diào)度的實現(xiàn)，包括時間中斷調(diào)度函數(shù)——判斷是否到達(dá)本設(shè)備的周期報文發(fā)送時間或非周期報文發(fā)送開始時間,，以及報文發(fā)送函數(shù)——實現(xiàn)對幾個優(yōu)先級的數(shù)據(jù)隊列報文發(fā)送等,。

 

　　4.2 在μC/OS-II中的實現(xiàn)

　　在完成各個模塊的編寫之后，通信協(xié)議在μC/OS-II系統(tǒng)中的實現(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,。因為μC/OS-II在RABBIT2000中的移植已經(jīng)由Dynamic開發(fā)平臺實現(xiàn)，這里不再詳細(xì)介紹,。模塊與任務(wù)之間非一一對應(yīng)關(guān)系,，因為模塊是基于功能進(jìn)行劃分，而任務(wù)是基于時間優(yōu)先級進(jìn)行劃分,。劃分任務(wù)優(yōu)先級就是確定任務(wù)實時性要求的過程,。實時性要求越高的，則任務(wù)優(yōu)先級越高,，其對應(yīng)的優(yōu)先級號越低,。μC/OS-II共支持最多56個用戶任務(wù)，對于本系統(tǒng)來說是綽綽有余的,。按照優(yōu)先級由高到低次序的任務(wù)劃分與調(diào)度方案如下：

　?。?）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,，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量激活,。

　?。?）周期性報文發(fā)送任務(wù)：由時間調(diào)度任務(wù)在宏周期內(nèi)本設(shè)備周期性報文發(fā)送時間到達(dá)時產(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)先級任務(wù)被執(zhí)行,，立即發(fā)送周期性報文,，發(fā)送完畢即掛起等待下一次激活。

　?。?）非周期性報文發(fā)送任務(wù)：與任務(wù)（2）相似,，在非周期報文發(fā)送時間到被激活，通過調(diào)度算法發(fā)送非周期性報文,。以上兩個任務(wù)由于不會在同一時間段執(zhí)行,，因此實際運行時的優(yōu)先級是等同的。

　?。?）功能塊調(diào)度任務(wù)：在組態(tài)的功能塊調(diào)度時間到達(dá)時被激活,，或者在控制回路中上一個功能塊執(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)先級低于前兩個任務(wù)。

　?。?）時間調(diào)度任務(wù)：通過對網(wǎng)絡(luò)時間的判斷,，在到達(dá)以上三個任務(wù)的執(zhí)行時間時進(jìn)入時間中斷函數(shù)，給相應(yīng)的任務(wù)發(fā)送信號量,，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)先級任務(wù)。根據(jù)時間精度的要求設(shè)置內(nèi)核調(diào)用OSTimeTick的頻率,，可以通過#define OS_TICKS_PER_SEC 256,，實現(xiàn)每秒256次的Tick頻率。

　?。?）普通報文接收任務(wù)：套接字映射實體偵聽來自EPA網(wǎng)絡(luò)的報文并根據(jù)需要調(diào)用相應(yīng)的應(yīng)用層服務(wù)處理報文,，設(shè)為每100ms執(zhí)行一次。

　?。?）時鐘同步任務(wù)：獨立接收與發(fā)送時間同步報文,，以確保設(shè)備時間與網(wǎng)絡(luò)時間的同步。由于主時鐘發(fā)送Sync報文周期為2秒一次,，所以其優(yōu)先級可以低于時間調(diào)度任務(wù),，設(shè)為每2秒執(zhí)行一次。

　?。?）串口通信任務(wù)：與電動執(zhí)行器進(jìn)行周期性的串口通信,，根據(jù)電動執(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制進(jìn)行通信，以完成任務(wù)狀態(tài)機的變化,。任務(wù)堆棧則根據(jù)各任務(wù)的實際需要分配,，這里不再詳述。

　　5. 測試

　　為了測試通信協(xié)議的實現(xiàn),，使用通信卡的RS-232串口與某型電動執(zhí)行器的異步串行通信接口相連,，形成一個EPA現(xiàn)場設(shè)備。EPA通信卡接收來自EPA網(wǎng)絡(luò)的閥位指令并通過串行口傳送給電動執(zhí)行器,，電動執(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)完成一個周期的通信。通信中網(wǎng)板是主節(jié)點,，電動執(zhí)行器為從節(jié)點,，每周期通信均是由通信卡發(fā)起,，電動執(zhí)行器響應(yīng)。

　　通過EPA網(wǎng)橋?qū)⒃撛O(shè)備加入EPA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試,，經(jīng)過專家組的驗收,，該實驗系統(tǒng)成功通過了一致性測試、互可操作性測試等服務(wù)測試,，時鐘同步精度也達(dá)到了毫秒級,，基本上實現(xiàn)了EPA通信卡的功能。

　　6. 結(jié)束語

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

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