基于VxWorks的雙485口管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要:VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)具有高效的實(shí)時(shí)任務(wù)管理與調(diào)度、任務(wù)的同步與通信、內(nèi)存管理、I/O管理、時(shí)鐘管理等機(jī)制。兩個(gè)485口在通信速率、工作模式、控制方式上有較大差別且系統(tǒng)死線要求嚴(yán)格。詳細(xì)介紹了VxWorks下雙485口串行通信系統(tǒng)BSP、驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的開發(fā)過(guò)程。基于VxWorks構(gòu)建的嵌入式串行通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，效率高，可根據(jù)硬件進(jìn)行優(yōu)化配置;利用VxWorks的I/O系統(tǒng)將驅(qū)動(dòng)程序作為內(nèi)核過(guò)程，設(shè)備作為特殊文件處理，解決了工作方式不同的兩個(gè)485口的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)和接口統(tǒng)一問(wèn)題。關(guān)鍵詞:通信系統(tǒng);嵌入式串行通信引言VxWorks是美國(guó)WindRiver公司專門為嵌入式微處理器設(shè)計(jì)的一種高模塊化、高性能的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，具有很好的安全性、可靠性及系統(tǒng)靈活性[1-2]。該系統(tǒng)要求兩個(gè)485端口波特率分別為460.8kb和614.4kb;工作方式分別為程序查詢式和中斷驅(qū)動(dòng)式;代寫論文握手方式和通信控制方式也完全不具有相對(duì)的獨(dú)立性和“并發(fā)性”，而且各個(gè)任務(wù)根據(jù)不同的“緊迫感”應(yīng)具有不同的優(yōu)先級(jí)。根據(jù)以上多方面的要求和特點(diǎn)，基于優(yōu)先級(jí)搶占式的多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks是該系統(tǒng)的首選[3]。本文以研制某型訓(xùn)練裝備為背景，詳細(xì)介紹了基于VxWorks的雙485口通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和過(guò)程。1串口通信基本原理串口通信作為最常用的通信方式，用途非常廣泛，驅(qū)動(dòng)易于編寫，被絕大多數(shù)操作系統(tǒng)默認(rèn)支持。其基本功能是實(shí)現(xiàn)和串行設(shè)備間的編碼轉(zhuǎn)換發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，字節(jié)數(shù)據(jù)經(jīng)CPU通過(guò)通用異步接收發(fā)送器(簡(jiǎn)稱UART)轉(zhuǎn)換為串行位，從串行端口發(fā)送出去;接收數(shù)據(jù)時(shí)，串行位通過(guò)UART被轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)據(jù)，并放入緩沖區(qū)，由CPU讀取。通過(guò)對(duì)UART的內(nèi)部寄存器的控制實(shí)現(xiàn)字節(jié)數(shù)據(jù)和位數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和通信。通信時(shí)，UART按初始化設(shè)置，把起始位、校驗(yàn)位和停止位加到來(lái)自CPU的8位數(shù)據(jù)上，然后按設(shè)置的波特率把這個(gè)二進(jìn)制位串發(fā)送到串行通信線上，如圖1所示;同樣，UART能自動(dòng)從通信線上接收串行數(shù)據(jù)，并取出有效的數(shù)據(jù)位，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)字符存入接收數(shù)據(jù)寄存器。2串行通信軟件設(shè)計(jì)該軟件以WindRiver的TornadoII集成開發(fā)環(huán)境為平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)。包括BSP開發(fā)、驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)、應(yīng)用程序開發(fā)等步驟。2.1BSP開發(fā)BSP(BoardSupportPacket，板級(jí)支持包)是介于底層硬件和上層軟件之間的底層軟件開發(fā)包。它來(lái)源于嵌入式操作系統(tǒng)與硬件無(wú)關(guān)的設(shè)計(jì)思想[2，4]。操作系統(tǒng)被設(shè)計(jì)運(yùn)行在虛擬的硬件平臺(tái)上，對(duì)于具體的硬件平臺(tái)，與硬件相關(guān)的代碼都被封裝在BSP中。它主要功能為屏蔽硬件，提供操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)及硬件驅(qū)動(dòng)。它的主要功能包括:系統(tǒng)引導(dǎo)時(shí)，初始化目標(biāo)機(jī)硬件;提供目標(biāo)系統(tǒng)上的驅(qū)動(dòng)程序，如定時(shí)器、串口等[2，6]。開發(fā)BSP，主要以目標(biāo)板CPU的BSP文件為模板，建立工程并修改相關(guān)源文件。BSP文件在vx-works/target/config/all和vxworks/target/config/bsp-name文件夾里。其中，all文件夾里的文件是所有BSP的通用文件，bspname文件夾的文件是用戶自己定制的BSP文件。該系統(tǒng)采用PentiumCPU，因此以vxworks/target/config/pcPentium文件夾里的文件為模板進(jìn)行修改，開發(fā)過(guò)程如下。系統(tǒng)配置在config/all目錄包含的文件中完成。需要配置的頭文件有target/config/all/configAll.h和arget/config/pcPentium/config.h;需要配置的模塊文件有target/config/all/usrconfig.c和target/src/config目錄下的初始化模塊。配置頭文件主要利用定義(#define)和去除定義(#undef)實(shí)現(xiàn)。ConfigAll.h是全局配置頭文件，包括所有目標(biāo)系統(tǒng)公用的配置參數(shù)默認(rèn)定義，一般不修改此文件，而在Config.h中重新定義。以配置引導(dǎo)程序?yàn)槔?該系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中使用串口(此串口為目標(biāo)機(jī)開發(fā)板上的串口)調(diào)試VxWorks映像，端口1作為WDB代理通信通道，不設(shè)目標(biāo)機(jī)控制臺(tái)通#defineN-UART-CHANNELS2這樣，宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)通過(guò)一根串口線連接，VxWorks映像文件從目標(biāo)機(jī)軟盤上加載，宿主機(jī)通過(guò)串口來(lái)調(diào)試目標(biāo)機(jī)上的VxWorks。在config.h中修改如下內(nèi)容，同時(shí)在Makefile里配置ROM起始地址(ROM-BASE-ADRS)、代碼段入口(ROM-TEXT-ADRS)、ROM大小(ROM-SIZE)、VxWorks映像加載地址(RAM-LOW-ADRS)和BootROM加載地址(RAM-HIGH-ADRS)。該系統(tǒng)對(duì)模塊文件usrconfig.c和target/src/config目錄下的初始化模塊無(wú)需作修改[2]。2.2串口驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)VxWorks操作系統(tǒng)有兩種方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。1)把設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序作為獨(dú)立任務(wù)實(shí)現(xiàn)，直接在頂層任務(wù)中實(shí)現(xiàn)硬件操作，完成特有專用的驅(qū)動(dòng)程序。2)VxWorks的I/O系統(tǒng)將設(shè)備程序作為內(nèi)核過(guò)程實(shí)現(xiàn)。這種方式便于實(shí)現(xiàn)I/O子系統(tǒng)的層次模型，便于文件系統(tǒng)一起把設(shè)備作為特殊文件處理，提供統(tǒng)一的管理、統(tǒng)一的界面和統(tǒng)一的使用方法，并把設(shè)備、文件及網(wǎng)絡(luò)通信組織成為一致的更高層次的抽象，為用戶提供統(tǒng)一的系統(tǒng)服務(wù)和用戶接口。采用這種驅(qū)動(dòng)方式，向上將TTY設(shè)備安裝到標(biāo)準(zhǔn)的I/O系統(tǒng)中，上層應(yīng)用通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的I/O接口完成對(duì)硬件設(shè)備的操作，向下提供對(duì)實(shí)際硬件設(shè)備的底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序[7-8。串口1、串口2均采用82C52芯片作為UART。根據(jù)上位機(jī)的工作方式，端口1采用硬件握手中斷驅(qū)動(dòng)方式，有5根信號(hào)線:2根數(shù)據(jù)傳輸線(TXD、RXD)，2根握手線(CTS、RTS)和1根地線。端口2采用軟件握手查詢工作方式，有3根信號(hào)線:2根數(shù)據(jù)傳輸線(TXD、RXD)和1根地線。各端口的默認(rèn)字長(zhǎng)均為8位、停止位2位、奇偶校驗(yàn)位1位、端口1默認(rèn)波特率為614.4kbps，端口2默認(rèn)波特率為460.8kbps。首先構(gòu)造設(shè)備描述符結(jié)構(gòu)體，設(shè)備描述符保存了與設(shè)備相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，它必須以設(shè)備頭(DEV-HDR)結(jié)構(gòu)為開頭。由于2個(gè)端口的工作方式完全不同，且無(wú)法預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)南群箜樞蚝蛡鬏敃r(shí)機(jī)，2個(gè)端口的數(shù)據(jù)接收函數(shù)必須分開編寫，其中uartRecQuery()函數(shù)用于端口2的查詢工作方式;uartRecData()函數(shù)用于端口1的中斷握手方式，其優(yōu)先級(jí)高于uartRecQuery()函數(shù)。但數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)可以合并，因?yàn)閷?duì)于單處理器而言，是不可能實(shí)現(xiàn)真正的多任務(wù)并行處理的，即使編寫成兩個(gè)并行任務(wù)，也是在處理器的控制下，按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)執(zhí)行的。這樣不僅不能提高執(zhí)行效率，反而會(huì)因?yàn)槿蝿?wù)上下文切換造成一定的資源浪費(fèi)，影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。這種情況，更適合采用面向過(guò)程的方法對(duì)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。下面對(duì)其進(jìn)行說(shuō)明:調(diào)用后，其首先檢測(cè)輸入?yún)?shù)是否合法，而后根據(jù)端口號(hào)選擇工作方式(中斷或查詢)，作相應(yīng)操作，開始發(fā)送數(shù)據(jù)，每發(fā)送一個(gè)字節(jié)檢測(cè)并等待TBRE(發(fā)送緩沖寄存器空)信號(hào)變?yōu)橛行?，再發(fā)送下一字節(jié)，數(shù)據(jù)全部發(fā)送完畢后函數(shù)返回。其工作流程如驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)完成后，在usrConfig.c文件的usrRoot()函數(shù)里，調(diào)用API函數(shù)iosDrvInstall()對(duì)以上驅(qū)動(dòng)程序分別進(jìn)行安裝，再初始化設(shè)備描述符，并用iosDevAdd()將設(shè)備增加到設(shè)備列表中，最后將設(shè)備置為中斷模式。以上操作完成后即可用標(biāo)準(zhǔn)I/O函數(shù)操作兩個(gè)不同的串口設(shè)備2.3串口通信應(yīng)用程序設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通信按幀進(jìn)行，幀分為命令幀和應(yīng)答幀。幀格式為命令幀:命令碼長(zhǎng)度參數(shù)串異或應(yīng)答幀:應(yīng)答碼長(zhǎng)度參數(shù)串異或

對(duì)于多字節(jié)參數(shù)，按高字節(jié)在前，低字節(jié)在后的次序發(fā)送。數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制16位有符號(hào)整數(shù)數(shù)據(jù)格式。其中，最高位為符號(hào)位，數(shù)據(jù)為二進(jìn)制格式。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，上位機(jī)首先發(fā)送一個(gè)命令幀，包含數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)、最后一個(gè)數(shù)據(jù)包的字節(jié)數(shù)，除最后一個(gè)數(shù)據(jù)包外，每包大小為16kB。模擬器收到后，回復(fù)應(yīng)答幀并將收到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)、最后一個(gè)數(shù)據(jù)包的字節(jié)數(shù)一同發(fā)回校驗(yàn)，對(duì)幀長(zhǎng)度校驗(yàn)無(wú)誤后開始發(fā)送數(shù)據(jù)。由于傳輸數(shù)據(jù)量較大，一般校驗(yàn)方法進(jìn)行內(nèi)容誤判率高，不能糾錯(cuò)，大多數(shù)情況下需要重新發(fā)送，非常費(fèi)時(shí)。循環(huán)冗余校驗(yàn)法(CRC)由于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，檢錯(cuò)能力強(qiáng)，并能糾錯(cuò)，可以較好地解決這個(gè)問(wèn)題。該系統(tǒng)采用CRC16進(jìn)行校驗(yàn)[9]。3結(jié)論串行通信以其網(wǎng)絡(luò)連接方便、抗干擾性能好、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在嵌入式系統(tǒng)得到廣泛