基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)關(guān)的設計

一、引言
隨著(zhù)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的不斷發(fā)展，諸如計算機技術(shù)、通信技術(shù)等不斷地引入到自動(dòng)控制領(lǐng)域，大大地促進(jìn)了新一代控制系統——現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(FCS)的發(fā)展。
隨著(zhù)嵌入式系統與網(wǎng)絡(luò )的日益結合，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)中引入TCP/IP協(xié)議棧，以支持嵌入式設備接入網(wǎng)絡(luò )，成為嵌入式領(lǐng)域重要的研究方向。
本文將介紹基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)關(guān)的設計。其中所介紹的現場(chǎng)總線(xiàn)是WorldFIP現場(chǎng)總線(xiàn);實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)是μC/OS-Ⅱ。
二、WorldFIP現場(chǎng)總線(xiàn)和μC/OS-Ⅱ簡(jiǎn)介
l.WorldFIP現場(chǎng)總線(xiàn)簡(jiǎn)介
WorldFIP FCS是一種用于自動(dòng)化系統的現場(chǎng)總統提供現場(chǎng)設備和控制器以及控制器之間的數字化連接。WorldFIP FCS適合各種應用結構:集中、分散和主從;其開(kāi)放性使不同制造廠(chǎng)家的設備能夠互操作。WorldFIP除了具備現場(chǎng)總線(xiàn)的一般特點(diǎn)，如數字化，標準化，節省布線(xiàn)，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、帶調度的總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)控制等。
2.實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-Ⅱ簡(jiǎn)介
嵌入式實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-Ⅱ是基于優(yōu)先級的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統，其內核可以簡(jiǎn)單地看做是一個(gè)多任務(wù)的調度器，在這個(gè)任務(wù)調度器之上完善并添加了和實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統相關(guān)的一些系統服務(wù)，如任務(wù)管理、時(shí)間管理、信號量、郵箱等。它的90%的代碼都是用C語(yǔ)言編寫(xiě)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(wù)切換的實(shí)現上，由于這部分代碼主要是用來(lái)保存和恢復處理器現場(chǎng)(即相關(guān)寄存器)，與處理器硬件相關(guān)，因此只能使用特定的處理器匯編語(yǔ)言完成。在本文嵌入式網(wǎng)關(guān)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，以開(kāi)源TCP/IP協(xié)議棧LwIP為基礎，實(shí)現了μC/OS-Ⅱ的網(wǎng)絡(luò )支持功能。LwIP實(shí)現了 TCP/IP的主要協(xié)議如TCP、UDP、ICMP、IP、ARP，其優(yōu)點(diǎn)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中使用。
三、嵌入式網(wǎng)關(guān)的設計
本設計所設計的嵌入式網(wǎng)關(guān)的主要功能是實(shí)現WorldFIP現場(chǎng)總線(xiàn)和Internet之間的相互通信時(shí)的協(xié)議轉換，從而實(shí)現工業(yè)控制中管理層和現場(chǎng)控制層之間的無(wú)縫結合，使得WorldFIP現場(chǎng)總線(xiàn)成為一個(gè)真正開(kāi)放的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )?？刂葡到y模型如圖1所示。

網(wǎng)關(guān)的設計過(guò)程中，自上而下分為三層:應用/任務(wù)層、操作系統層和硬件層。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(jìn)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現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議的專(zhuān)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(shí)序匹配和邏輯組合；SDRAM選用Hynix的HY57v64323220，主要用于任務(wù)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)操作系統層設計
操作系統層設計的主要內容是在系統硬件平臺上構建一個(gè)工作平臺，在這個(gè)平臺上建立應用程序、創(chuàng )建任務(wù)等。操作系統層設計主要包括三部分：