Linux2.6下自主設計的PROFIBUS-DP單主站的實時性研究

滿慶豐，陳宇翔，夏繼強

(北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京100191)

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。

圖1 PROFIBUS-DP系統(tǒng)組成圖

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：

Dcycle=N×（Tcycle+TGAP+Tacycle）

當主站已經(jīng)與從站建立通信后，單主站的測控周期為：

Dcycle=N×Tcycle

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。

圖2 數(shù)據(jù)交換圖

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：

其中：TReq=a×11 Tbit，a為請求/發(fā)送幀中的字符個數(shù)；

TRes=b×11 Tbit，b為應答幀中的字符個數(shù)；

Tsdr：站延遲時間，指接收方從接到請求到產(chǎn)生響應數(shù)據(jù)的時間間隔；

TID1：一個發(fā)送節(jié)點在獲得相應信號后的再次發(fā)送下一個信息幀所需的最短時間；

TTD：傳輸間隔時間，指一個幀在傳輸時在發(fā)送器和接收器之間的傳輸介質上經(jīng)過的最大時間。

這樣，Tcycle=11×（a+b）+Tsdr+TID1+2×TTD。由于是近距離傳輸，在傳輸介質上的損耗忽略不計，T=0；所以：

Tcycle=11×（a+b）+Tsdr+TID1

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：

TGAP=6×11 Tbit

1.2.3 非周期性數(shù)據(jù)交換時間Tacycle

非周期性數(shù)據(jù)交換包括診斷從站、通信接口配置和參數(shù)配置等內容。這部分數(shù)據(jù)交換只在當一個新的從站加入總線時，主站第一次與從站通信時才會在總線上存在。

通常情況下，這部分的時間比較固定，一般為：Tacycle=30×11 Tbit。

所以，第一次上電時，單主站的測控周期為：

已經(jīng)建立通信后，單主站的測控周期為：

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內核相對以前的Linux內核在實時性方面有了很大的增強，包括O(1)調度器、可搶占式內核、改進的線程模型以及對新的NPTL(Native Posix Threading Library)的支持。

2.1.1 可搶占式內核

在2.6版的內核中，引入了內核的可搶占性，只要調度是安全的，內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，內核就可以進行搶占。鎖是非搶占區(qū)域的標志，由于內核支持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 虛擬內存

Linux2.6內核雖然支持虛擬內存，但是虛擬內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內核時，應盡可能去掉虛擬內存虛擬內存機制，盡量保證應用程序直接訪問物理內存。

2.1.4 調度策略

Linux2.6中不但支持基于優(yōu)先級的調度策略，還支持基于比例共享的調度策略。同時，Linux2.6內核進程調度算法的復雜度為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)結構進行初始化，然后調用“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)定的時間內發(fā)送回應幀響應主站，同時，主站在特定的時間內會調用“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)結構記錄PROFIBUS-DP主站的狀態(tài)，其數(shù)據(jù)結構如下：

另外，軟件設計中，對于從站也設計了單獨的數(shù)據(jù)結構維護其狀態(tài)。從站的數(shù)據(jù)結構如下：

同時，由于有了特定數(shù)據(jù)結構的維護，在主從數(shù)據(jù)的交換過程中，采用了一次性內存拷貝技術（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存的時間，加快響應速度。

圖3 PROFIBUS-DP軟件設計

另外，本軟件設計還采用了單緩沖技術。所謂單緩沖區(qū)是指不考慮通信中待轉換的數(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PROFIBUSDP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)去掉了對虛擬內存的支持，所有數(shù)據(jù)都直接存放到物理內存中，同時使用了一次性內存拷貝技術，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內核中由于調度復雜度為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PROFIBUSDP從站（ET200S、mm420和自主設計的從站）構成，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：D≈297.3 ms

圖4 PROFIBUS-DP測試系統(tǒng)結構

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。

[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)關設計及其關鍵技術研究[J].電子技術應用，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，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．