基于VxWorks的雙485口管理系統(tǒng)設計

基于VxWorks的雙485口管理系統(tǒng)設計

摘要:VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)具有高效的實時任務管理與調度、任務的同步與通信、內存管理、I/O管理、時鐘管理等機制。兩個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)死線要求嚴格。詳細介紹了VxWorks下雙485口串行通信系統(tǒng)BSP、驅動程序和應用程序的開發(fā)過程?；赩xWorks構建的嵌入式串行通信系統(tǒng)實時性好，效率高，可根據(jù)硬件進行優(yōu)化配置;利用VxWorks的I/O系統(tǒng)將驅動程序作為內核過程，設備作為特殊文件處理，解決了工作方式不同的兩個485口的驅動程序開發(fā)和接口統(tǒng)一問題。關鍵詞:通信系統(tǒng);嵌入式串行通信引言VxWorks是美國WindRiver公司專門為嵌入式微處理器設計的一種高模塊化、高性能的實時多任務操作系統(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動式;代寫論文握手方式和通信控制方式也完全不具有相對的獨立性和“并發(fā)性”，而且各個任務根據(jù)不同的“緊迫感”應具有不同的優(yōu)先級。根據(jù)以上多方面的要求和特點，基于優(yōu)先級搶占式的多任務實時操作系統(tǒng)VxWorks是該系統(tǒng)的首選[3]。本文以研制某型訓練裝備為背景，詳細介紹了基于VxWorks的雙485口通信系統(tǒng)設計方法和過程。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，驅動易于編寫，被絕大多數(shù)操作系統(tǒng)默認支持。其基本功能是實現(xiàn)和串行設備間的編碼轉換發(fā)送數(shù)據(jù)時，字節(jié)數(shù)據(jù)經(jīng)CPU通過通用異步接收發(fā)送器(簡稱UART)轉換為串行位，從串行端口發(fā)送出去;接收數(shù)據(jù)時，串行位通過UART被轉換為字節(jié)數(shù)據(jù)，并放入緩沖區(qū)，由CPU讀取。通過對UART的內部寄存器的控制實現(xiàn)字節(jié)數(shù)據(jù)和位數(shù)據(jù)的轉換和通信。通信時，UART按初始化設置，把起始位、校驗位和停止位加到來自CPU的8位數(shù)據(jù)上，然后按設置的波特率把這個二進制位串發(fā)送到串行通信線上，如圖1所示;同樣，UART能自動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串行通信軟件設計該軟件以WindRiver的TornadoII集成開發(fā)環(huán)境為平臺進行開發(fā)。包括BSP開發(fā)、驅動程序開發(fā)、應用程序開發(fā)等步驟。2.1BSP開發(fā)BSP(BoardSupportPacket，板級支持包)是介于底層硬件和上層軟件之間的底層軟件開發(fā)包。它來源于嵌入式操作系統(tǒng)與硬件無關的設計思想[2，4]。操作系統(tǒng)被設計運行在虛擬的硬件平臺上，對于具體的硬件平臺，與硬件相關的代碼都被封裝在BSP中。它主要功能為屏蔽硬件，提供操作系統(tǒng)的驅動及硬件驅動。它的主要功能包括:系統(tǒng)引導時，初始化目標機硬件;提供目標系統(tǒng)上的驅動程序，如定時器、串口等[2，6]。開發(fā)BSP，主要以目標板CPU的BSP文件為模板，建立工程并修改相關源文件。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行修改，開發(fā)過程如下。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)實現(xiàn)。ConfigAll.h是全局配置頭文件，包括所有目標系統(tǒng)公用的配置參數(shù)默認定義，一般不修改此文件，而在Config.h中重新定義。以配置引導程序為例:該系統(tǒng)開發(fā)過程中使用串口(此串口為目標機開發(fā)板上的串口)調試VxWorks映像，端口1作為WDB代理通信通道，不設目標機控制臺通#defineN-UART-CHANNELS2這樣，宿主機和目標機通過一根串口線連接，VxWorks映像文件從目標機軟盤上加載，宿主機通過串口來調試目標機上的VxWorks。在config.h中修改如下內容，同時在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)對模塊文件usrconfig.c和target/src/config目錄下的初始化模塊無需作修改[2]。2.2串口驅動程序開發(fā)VxWorks操作系統(tǒng)有兩種方式實現(xiàn)驅動。1)把設備驅動程序作為獨立任務實現(xiàn)，直接在頂層任務中實現(xiàn)硬件操作，完成特有專用的驅動程序。2)VxWorks的I/O系統(tǒng)將設備程序作為內核過程實現(xiàn)。這種方式便于實現(xiàn)I/O子系統(tǒng)的層次模型，便于文件系統(tǒng)一起把設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，并把設備、文件及網(wǎng)絡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)服務和用戶接口。采用這種驅動方式，向上將TTY設備安裝到標準的I/O系統(tǒng)中，上層應用通過標準的I/O接口完成對硬件設備的操作，向下提供對實際硬件設備的底層設備驅動程序[7-8。串口1、串口2均采用82C52芯片作為UART。根據(jù)上位機的工作方式，端口1采用硬件握手中斷驅動方式，有5根信號線: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根信號線:2根數(shù)據(jù)傳輸線(TXD、RXD)和1根地線。各端口的默認字長均為8位、停止位2位、奇偶校驗位1位、端口1默認波特率為614.4kbps，端口2默認波特率為460.8kbps。首先構造設備描述符結構體，設備描述符保存了與設備相關聯(lián)的數(shù)據(jù)，它必須以設備頭(DEV-HDR)結構為開頭。由于2個端口的工作方式完全不同，且無法預測數(shù)據(jù)傳輸?shù)南群箜樞蚝蛡鬏敃r機，2個端口的數(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)先級高于uartRecQuery()函數(shù)。但數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)可以合并，因為對于單處理器而言，是不可能實現(xiàn)真正的多任務并行處理的，即使編寫成兩個并行任務，也是在處理器的控制下，按時間片輪轉執(zhí)行的。這樣不僅不能提高執(zhí)行效率，反而會因為任務上下文切換造成一定的資源浪費，影響系統(tǒng)實時性。這種情況，更適合采用面向過程的方法對程序進行設計和優(yōu)化。下面對其進行說明:調用后，其首先檢測輸入?yún)?shù)是否合法，而后根據(jù)端口號選擇工作方式(中斷或查詢)，作相應操作，開始發(fā)送數(shù)據(jù)，每發(fā)送一個字節(jié)檢測并等待TBRE(發(fā)送緩沖寄存器空)信號變?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。其工作流程如驅動程序開發(fā)完成后，在usrConfig.c文件的usrRoot()函數(shù)里，調用API函數(shù)iosDrvInstall()對以上驅動程序分別進行安裝，再初始化設備描述符，并用iosDevAdd()將設備增加到設備列表中，最后將設備置為中斷模式。以上操作完成后即可用標準I/O函數(shù)操作兩個不同的串口設備2.3串口通信應用程序設計數(shù)據(jù)通信按幀進行，幀分為命令幀和應答幀。幀格式為命令幀:命令碼長度參數(shù)串異或應答幀:應答碼長度參數(shù)串異或

對于多字節(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)采用二進制16位有符號整數(shù)數(shù)據(jù)格式。其中，最高位為符號位，數(shù)據(jù)為二進制格式。數(shù)據(jù)傳輸時，上位機首先發(fā)送一個命令幀，包含數(shù)據(jù)包個數(shù)、最后一個數(shù)據(jù)包的字節(jié)數(shù)，除最后一個數(shù)據(jù)包外，每包大小為16kB。模擬器收到后，回復應答幀并將收到的數(shù)據(jù)包個數(shù)、最后一個數(shù)據(jù)包的字節(jié)數(shù)一同發(fā)回校驗，對幀長度校驗無誤后開始發(fā)送數(shù)據(jù)。由于傳輸數(shù)據(jù)量較大，一般校驗方法進行內容誤判率高，不能糾錯，大多數(shù)情況下需要重新發(fā)送，非常費時。循環(huán)冗余校驗法(CRC)由于實現(xiàn)簡單，檢錯能力強，并能糾錯，可以較好地解決這個問題。該系統(tǒng)采用CRC16進行校驗[9]。3結論串行通信以其網(wǎng)絡連接方便、抗干擾性能好、傳輸距離遠等優(yōu)點，在嵌入式系統(tǒng)得到廣泛