基于嵌入式實時操作系統的現場總線網關的設計

一、引言
隨著現場總線技術的不斷發展，諸如計算機技術、通信技術等不斷地引入到自動控制領域，大大地促進了新一代控制系統——現場總線控制系統(FCS)的發展。
隨著嵌入式系統與網絡的日益結合，在嵌入式實時操作系統(RTOS)中引入TCP/IP協議棧，以支持嵌入式設備接入網絡，成為嵌入式領域重要的研究方向。
本文將介紹基于嵌入式實時操作系統的現場總線網關的設計。其中所介紹的現場總線是WorldFIP現場總線;實時操作系統(RTOS)是μC/OS-Ⅱ。
二、WorldFIP現場總線和μC/OS-Ⅱ簡介
l.WorldFIP現場總線簡介
WorldFIP FCS是一種用于自動化系統的現場總統提供現場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;其開放性使不同制造廠家的設備能夠互操作。WorldFIP除了具備現場總線的一般特點，如數字化，標準化，節省布線，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，如協議單一、抗干擾能力強、帶調度的總線訪問控制等。
2.實時操作系統μC/OS-Ⅱ簡介
嵌入式實時操作系統μC/OS-Ⅱ是基于優先級的搶占式實時多任務操作系統，其內核可以簡單地看做是一個多任務的調度器，在這個任務調度器之上完善并添加了和實時多任務操作系統相關的一些系統服務，如任務管理、時間管理、信號量、郵箱等。它的90%的代碼都是用C語言編寫的，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切換的實現上，由于這部分代碼主要是用來保存和恢復處理器現場(即相關寄存器)，與處理器硬件相關，因此只能使用特定的處理器匯編語言完成。在本文嵌入式網關的開發過程中，以開源TCP/IP協議棧LwIP為基礎，實現了μC/OS-Ⅱ的網絡支持功能。LwIP實現了 TCP/IP的主要協議如TCP、UDP、ICMP、IP、ARP，其優點是在保持TCP協議主要功能的基礎上減少對資源的占用，使得LwIP協議棧非常適合在低端嵌入式系統中使用。
三、嵌入式網關的設計
本設計所設計的嵌入式網關的主要功能是實現WorldFIP現場總線和Internet之間的相互通信時的協議轉換，從而實現工業控制中管理層和現場控制層之間的無縫結合，使得WorldFIP現場總線成為一個真正開放的工業控制網絡。控制系統模型如圖1所示。

網關的設計過程中，自上而下分為三層:應用/任務層、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;網卡芯片使用ICS1890;WorldFIP側選用的芯片是符合WorldFIP現場總線協議的專用芯片(Fullfip2、FIPDUAL等)；CPLD選用ALTERA公司的EPM7128SLC84，主要用于s3c4510b和Fullfip2之間的時序匹配和邏輯組合；SDRAM選用Hynix的HY57v64323220，主要用于任務堆棧和中間變量；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工作平臺，在這個平臺上建立應用程序、創建任務等。操作系統層設計主要包括三部分：