基于μC/OS—II和ModbusRTU協(xié)議的密集架控制軟件設(shè)計

張國宇 鄒衛(wèi)軍

摘 要：本文提出了基于μC/OS-II和ModbusRTU協(xié)議的密集架控制軟件在Stm32F103R8T6平臺上的設(shè)計方法。重點闡述了μCOS-II操作系統(tǒng)的移植、ModbusRTU通信協(xié)議的實現(xiàn)方式和主要的應(yīng)用程序開發(fā)。

關(guān)鍵詞：Stm32；ModbusRTU；μCOS-II移植

密集架是自動化倉儲領(lǐng)域具有代表性的一類系統(tǒng)。它由一個固定列和多個移動列組成，通常架體之間緊密排列，不預(yù)留任何通道；工作時通過PC機或固定列的人機交互界面打開指定的存取通道。這種“常態(tài)閉合，用時打開”的特點，使得密集架系統(tǒng)能夠節(jié)省很大的倉儲空間，同時具備較高的安全性。

密集架系統(tǒng)的核心是控制軟件及通信協(xié)議。由于系統(tǒng)中移動列數(shù)目的不確定，使得固定列和移動列之間的通信復(fù)雜度大幅提升，傳統(tǒng)的基于中斷響應(yīng)、前后臺架構(gòu)的控制軟件設(shè)計方式，已經(jīng)很難滿足系統(tǒng)在可靠性、擴展性、開發(fā)效率以及模塊化結(jié)構(gòu)等方面的要求。引入嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)和高效的通訊協(xié)議，就成為提高密集架系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵因素。

本文提出了基于多任務(wù)實時操作系統(tǒng)μCOS-II和ModbusRTU協(xié)議的密集架控制軟件的設(shè)計方法。軟件采用基于ModBusRTU協(xié)議的“主從式”通信架構(gòu)，并利用操作系統(tǒng)特性，將功能模塊劃分為多個任務(wù)，由系統(tǒng)調(diào)度執(zhí)行。經(jīng)過實驗測試，這種設(shè)計方法大大提升了密集架系統(tǒng)的穩(wěn)定性及程序的開發(fā)效率。

1 密集架系統(tǒng)工作原理

密集架系統(tǒng)通常由一個固定列和若干個移動列組成，固定列和移動列由嵌入式控制器控制，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在密集架系統(tǒng)中，固定列作為核心，主要完成以下任務(wù)：

⑴與PC上位機通信，處理下發(fā)的控制指令并反饋系統(tǒng)運行狀態(tài)和傳感器信息；

⑵與本列的人機交互單元通信，處理下發(fā)的控制指令并反饋系統(tǒng)運行狀態(tài)和傳感器信息；

⑶與所有的移動列通信，實時查詢各個移動列狀態(tài)并下發(fā)控制指令。

移動列作為實際運行的機構(gòu)，需要處理以下任務(wù)：

⑴與本列的人機交互單元通信，接收控制指令并反饋運行狀態(tài)；

⑵處理固定列下發(fā)的查詢指令和控制指令；執(zhí)行相應(yīng)控制動作，反饋運行狀態(tài)和傳感器信息。

由此可以看出，密集架系統(tǒng)控制軟件的核心，在于確保固定列和移動列通信穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，協(xié)調(diào)好來自上位機、人機交互單元和各個嵌入式控制器的控制指令和任務(wù)，保證系統(tǒng)能夠及時高效的響應(yīng)控制動作。

基于此，在密集架控制軟件的設(shè)計上，論文采用具有很強的實時性、較為完備的任務(wù)調(diào)度功能及穩(wěn)定的通信管理機制的μCOS-II實時操作系統(tǒng)；并基于ModbusRTU協(xié)議構(gòu)建了軟件的通信框架。

2 μCOS-II操作系統(tǒng)移植

本文移植μCOS-II實時操作系統(tǒng)針對的是基于STM32F103R8T6 ARM芯片的硬件平臺，需要完成與CPU相關(guān)和硬件相關(guān)的內(nèi)容的修改。

2.1 移植CPU相關(guān)內(nèi)容

和CPU相關(guān)內(nèi)容的移植，主要是利用CPU的定時器給操作系統(tǒng)提供時鐘。

μCOS-II為了處理任務(wù)延時和調(diào)度等一些時間相關(guān)任務(wù)，需要由CPU的硬件定時器產(chǎn)生一個毫秒（ms）級的周期性中斷來提供一個系統(tǒng)時鐘。最小時鐘單位就是兩次中斷之間的時間，稱為時鐘節(jié)拍（Time Tick），考慮到CPU的執(zhí)行效率，本系統(tǒng)選擇10ms的時鐘節(jié)拍。

Stm32F103R8T6中，μCOS-II時鐘由“滴答時鐘”的中斷提供：

void SysTick_Handler（void）

{

OSIntEnter（）；//進入中斷服務(wù)函數(shù)

OSTimeTick（）；//調(diào)用時鐘節(jié)拍服務(wù)函數(shù)

OSIntExit（）；//退出中斷服務(wù)函數(shù)

}

2.2 移植硬件相關(guān)內(nèi)容

（1）OS_CPU.C中的OSTaskInit（），它是任務(wù)的堆棧初始化代碼，在創(chuàng)建任務(wù)時必須成功調(diào)用這個函數(shù)，否則會導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

（2）OS_CPU.H中主要包含三個重要的函數(shù)定義，分別是：

·OS_ENTER_CRITICAL（）：進入臨界區(qū)函數(shù)，負責(zé)關(guān)中斷及保存全局中斷標志位；

·OS_EXIT_CRITICAL（）：退出臨界區(qū)函數(shù)，負責(zé)恢復(fù)全局中斷標志位，和OS_ENTER_CRITICAL（）函數(shù)成對使用，兩個函數(shù)之間的代碼稱為“臨界段”。進入臨界保護函數(shù)時中斷關(guān)閉，臨界段在運行期間不受中斷干擾，臨界段代碼執(zhí)行完畢，由OS_EXIT_CRITICAL（）函數(shù)解除中斷屏蔽；

·OS_TASK_SW（）：任務(wù)級任務(wù)切換函數(shù)，負責(zé)完成任務(wù)的正常切換，由任務(wù)級調(diào)度器OSSched（）調(diào)用。

（3）OS_CPU_A.ASM是μCOS-II唯一的匯編文件，這個文件主要涉及到任務(wù)切換、啟動優(yōu)先級最高的任務(wù)、中斷開關(guān)等函數(shù)。

·μCOS-II啟動多任務(wù)的函數(shù)是OSStart（），用戶在調(diào)用該函數(shù)之前至少需要創(chuàng)建一個任務(wù)。在執(zhí)行OSStart（）函數(shù)時，將調(diào)用OSStartHighRdy（）運行多任啟動前優(yōu)先級最高的任務(wù)，使得系統(tǒng)整個得以運轉(zhuǎn)。

·OSCtxSw（）是任務(wù)級的上下文切換函數(shù)，它被OS_CPU.H中的OS_TASK_SW（）所調(diào)用；OSIntCtxSw（）是中斷級的任務(wù)切換，它被OSIntExit（）調(diào)用，在μCOS-II運行完中斷服務(wù)程序之后完成中斷級任務(wù)調(diào)度。

·OS_CPU_SR_Save（）、OS_CPU_SR_Restore（）分別被OS_ENTER_CRITICAL（）和OS_EXIT_CRITICAL（）調(diào)用，主要負責(zé)屏蔽中斷和恢復(fù)中斷。

在移植過程中，根據(jù)用戶的實際需要，可以對配置文件OS_CFG.H進行修改，從而實現(xiàn)μCOS-II內(nèi)核的剪裁。

3 基于μCOS-II和Modbus RTU協(xié)議的控制軟件設(shè)計

根據(jù)密集架控制軟件的設(shè)計架構(gòu)，固定列控制軟件所面臨的數(shù)據(jù)通信處理的復(fù)雜程度遠超移動列，且固定列ModbusRTU協(xié)議實現(xiàn)機理和移動列完全相同，主要的應(yīng)用程序也涵蓋了移動列應(yīng)用程序的主要設(shè)計思想。因此，本文僅以固定列為樣例，來介紹基于μCOS-II和Modbus RTU協(xié)議的控制軟件設(shè)計。

3.1 Modbus RTU協(xié)議

在密集架系統(tǒng)中，使用“一主多從”的Modbus RTU通信模式，其中固定列作為主設(shè)備，移動列作為擁有唯一地址的從設(shè)備。固定列和移動列之間可以進行通信，而移動列之間則不能通信。通信的具體流程為：

⑴固定列以中斷方式接收本列人機交互界面和上位機發(fā)送的功能碼為06的控制幀；

⑵固定列以固定時間間隔依次向各移動列發(fā)送功能碼為03的查詢幀；

⑶收到查詢幀的移動列向固定列反饋當前狀態(tài)信息，包括：本列運行狀態(tài)、本列人機交互界面下發(fā)的控制指令、本列傳感器信息；

⑷固定列綜合系統(tǒng)當前狀態(tài)和控制指令要求，確定控制邏輯，并向相應(yīng)移動列發(fā)送功能碼為06的控制幀；

⑸收到控制幀的移動列根據(jù)指令要求完成控制動作。

3.2 基于μCOS-II的多任務(wù)機制設(shè)計

⑴用戶任務(wù)：完成來自上位機、人機交互界面和移動列各種通信數(shù)據(jù)的綜合解析工作，是控制指令得以正確實現(xiàn)的關(guān)鍵任務(wù)。

⑵RS232通信任務(wù)：負責(zé)和本列人機交互界面的通信工作，任務(wù)初始化后始終保持等待信號量狀態(tài)。主芯片的串口中斷實時接收觸摸屏命令，當接收到完整的數(shù)據(jù)幀后，調(diào)用OSSemPost（）函數(shù)發(fā)送信號量，通知RS232通信任務(wù)激活ModbusRTU協(xié)議解析任務(wù)，并根據(jù)解析出的控制指令反饋響應(yīng)信息或者保存按鍵命令。

⑶RS485通信任務(wù)：和RS232通信任務(wù)類似，它由對應(yīng)的RS485接收函數(shù)調(diào)用OSSemPost（）函數(shù)激活，負責(zé)和各個移動列之間的信息交互，是密集架網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運行的核心任務(wù)。移動列數(shù)目較多，通信非常復(fù)雜，為了保證控制指令的實時性，必須將RS485通信任務(wù)的優(yōu)先級設(shè)為所有任務(wù)的最高級。它的主要工作是：解析并保存“輪詢”到的移動列狀態(tài)信息、傳感器信息、按鍵信息，等待用戶任務(wù)的使用。

⑷網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)：由對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接收函數(shù)調(diào)用OSSemPost（）函數(shù)激活，主要負責(zé)和PC上位機之間的信息交互，使得用戶可以借助網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程控制密集架系統(tǒng)。

⑸ModbusRTU協(xié)議解析任務(wù)：該任務(wù)由以上三個數(shù)據(jù)通信任務(wù)中的任意一個激活，它的主要工作是：根據(jù)ModbusRTU數(shù)據(jù)幀規(guī)范，解析及保存固定列和上位機、固定列和移動列之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀。

ModbusRTU協(xié)議規(guī)定數(shù)據(jù)幀之間的間隔至少是3.5個字符，而Stm32F103R8T6的串口不具備超時中斷。因此，采用基于定時器中斷的串口數(shù)據(jù)接收方法以確定ModbusRTU數(shù)據(jù)幀是否傳輸完成。

ModbusRTU數(shù)據(jù)幀在串口傳輸過程中，字符與字符之間的數(shù)據(jù)間隔很短，如果串口接收數(shù)據(jù)過程，出現(xiàn)較長時間接收不到數(shù)據(jù)的情況，則說明當前ModbusRTU數(shù)據(jù)幀已經(jīng)傳輸完畢，后面再有新的數(shù)據(jù)接收，則作為下一幀ModbusRTU數(shù)據(jù)幀處理。本文正是利用ModbusRTU協(xié)議的這種特性，借助定時器中斷來實現(xiàn)ModbusRTU完整數(shù)據(jù)幀的判斷的，串口中斷接收到第一個字節(jié)的數(shù)據(jù)后，啟動定時器，定時時間設(shè)為3.5個字符的串口傳輸時間（根據(jù)波特率進行計算）。若在定時時間未到時，收到下一字節(jié)，則保存到同一數(shù)據(jù)幀；若定時時間已到，仍然沒有收到新的數(shù)據(jù)，則觸發(fā)定時器中斷，通知對應(yīng)的通信處理任務(wù)已接收到完整數(shù)據(jù)幀，可以進行相關(guān)數(shù)據(jù)處理。相關(guān)軟件流程見圖2：

μCOS-II是搶占式內(nèi)核，它按照任務(wù)優(yōu)先級的高低對任務(wù)進行調(diào)度，因此任務(wù)優(yōu)先級的合理設(shè)置，對于密集架這種實時性要求較高的控制軟件來說尤為重要。在該軟件系統(tǒng)中，各任務(wù)的優(yōu)先級由高到低依次為：RS485通信任務(wù)、RS232通信任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)、用戶任務(wù)。

綜合多任務(wù)機制的控制軟件主流程結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

4 結(jié)束語

本文探討了一種密集架控制軟件的設(shè)計方法，軟件基于ModbusRTU協(xié)議建立固定列和移動列的通信，并利用了μCOS-II操作系統(tǒng)的多任務(wù)機制來合理安排密集架軟件各個功能模塊的執(zhí)行和協(xié)調(diào)?；谠摷軜?gòu)的控制軟件，已經(jīng)應(yīng)用于一套固定列+17列移動列的復(fù)雜密集架系統(tǒng)。實踐表明，軟件運行穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)對控制指令響應(yīng)及時，有效保證了密集架系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

[參考文獻]

[1]任哲.嵌入式實時操作系統(tǒng)μCOS-II原理及應(yīng)用（第一版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005年.

[2]意法半導(dǎo)體技術(shù)支持：STM32F103xxx參考手冊.2010.

[3]意法半導(dǎo)體技術(shù)支持：Cotrex-M3權(quán)威指南.2007.

[4]李月恒，梁勝之，韓存武.基于STM32處理器的Modbus TCP/RTU網(wǎng)關(guān)設(shè)計[J].中國科技信息，2013，（9）：76-77.