1 引言
Modbus 協(xié)議最初由Modicon 公司開發(fā)出來，1979 年末該公司成為施耐德自動化 （Schneider Automation）部門的一部分。現(xiàn)在Modbus 協(xié)議已經(jīng)是工業(yè)領域全球最流行的協(xié) 議。Modbus 協(xié)議為應用層報文傳輸協(xié)議，僅定義了通訊消息結構，一個Modbus 信息幀包 括從機地址、功能碼、數(shù)據(jù)區(qū)和數(shù)據(jù)校驗碼。Modbus 協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-422、 RS-485 和以太網(wǎng)設備。許多工業(yè)設備，包括PLC、DCS、智能儀表等都在使用Modbus 協(xié) 議作為它們之間的通訊標準。 為適應當前開發(fā)Modbus 設備過程中協(xié)議測試的需求以及Modbus 設備在線測試的需 要，本文提出并實現(xiàn)了基于ARM 嵌入式處理器、μC/OS 實時操作系統(tǒng)的Modbus 協(xié)議測試 系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)的軟硬件設計。
2 系統(tǒng)結構
Modbus 協(xié)議測試系統(tǒng)硬件設計采用了工業(yè)級嵌入式處理器HMS30C7202 。 HMS30C7202 是Hynix 公司的高性能、低功耗32 位RISC 微處理器，它由ARM720T 內(nèi)核 和其他一些外圍接口電路組成，工作頻率為70MHz，支持8KB 的數(shù)據(jù)與指令Cache、2KB 的SRAM、支持段式和頁式存儲的MMU、寫緩沖器及AMBA 接口。
HMS307202 采用0.25μm 低功耗CMOS 工藝，片內(nèi)電壓2.5V，I/O 支持3.3V 電壓，采用了256 管腳QFP/BGA 封裝。 HMS30C7202 片上資源十分豐富，具有極高的集成度，非常適用于嵌入式系統(tǒng)應用，主要 應用于PDA、智能電話、個人音頻設備等場合。 測試系統(tǒng)提供了RS-232 和以太網(wǎng)接口，用于實現(xiàn)和被測Modbus 設備的聯(lián)接。系統(tǒng) RS-232 接口芯片采用MAX3232。在嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部，將MAX3232 的接收輸出端與 HMS30C7202 的通用IO 端口E24 相連。工作時，使用串行電纜將測試系統(tǒng)RS-232 串口和 被測設備的串口聯(lián)接起來，在測試系統(tǒng)中通過運行測試軟件實現(xiàn)對Modbus 協(xié)議的測試。系 統(tǒng)結構如圖1 所示。
測試系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件采用μC/OS-II 實時操作系統(tǒng)，μC/OS-II 的前身是μC/OS，由美國 人Jean Labrosse 編寫。μC/OS-II 是一種可剝奪型的實時多任務操作系統(tǒng)，其特點是可固化，可裁減，移植性好。μC/OS-II 功能強大，最多支持56 個用戶任務，支持信號量、消息郵箱、 消息隊列等多種常用的進程間通信機制。
現(xiàn)已成功移植到幾乎所有知名的MCU 上，其穩(wěn)定 性與可靠性已經(jīng)得到檢驗[1]。 μC/OS-II 是一個可剝奪型搶占式實時多任務內(nèi)核。μC/OS-II 大部分代碼是用ANSI C 語 言編寫的，僅包含一小部分匯編語言代碼，使之可以提供給不同架構的微處理器使用。至今， 從8 位到64 位，μC/OS-II 已經(jīng)在40 多種不同架構的微處理器上使用。
世界上已經(jīng)有成千上 萬的人在各個領域中使用μC/OS，這些領域包括：照相機行業(yè)、航空業(yè)、醫(yī)療器械、網(wǎng)絡設 備、自動提款機以及工業(yè)機器人等。 由于μC/OS-II 僅僅是一個實時多任務的內(nèi)核，移植μC/OS-II 到處理器平臺以后，離實 際的應用還有一段距離。因此必須對μC/OS-II 進行必要的擴充，才能建立一個實用的實時 操作系統(tǒng)。擴充工作主要包括：建立文件系統(tǒng)、為外部設備建立驅動程序并規(guī)范相應的API 函數(shù)、創(chuàng)建圖形用戶接口（GUI）函數(shù)、建立其他實用的應用程序接口（API）函數(shù)等[2]。
圖1 測試系統(tǒng)結構圖
3 軟件設計
μC/OS-II下應用程序設計主要是根據(jù)系統(tǒng)的功能需要劃分不同的任務和中斷，并為每個 任務分配不同的優(yōu)先級。一個任務通常是一個無限的循環(huán)，看起來像其它C的函數(shù)一樣，有 函數(shù)返回類型，有形式參數(shù)變量，但任務是決不會返回的，因此返回參數(shù)類型必須定義為 void。為了使μC/OS-II能管理用戶任務，用戶必須在建立一個任務的時候，將任務的起始地 址與其它參數(shù)一起傳給OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()。
中斷和任務以及任務與任務之間的同步可通過信號量實現(xiàn)。下面以Modbus協(xié)議測試程 序中RTU模式下字符時間間隔的測量為例介紹μC/OS-II程序設計中任務和中斷的劃分。 Modbus的RTU模式中規(guī)定[3]：RTU模式下必須以連續(xù)的字符流發(fā)送整個報文幀，同一個 幀中兩個字符之間的空閑時間Δt不能大于1.5個字符時間（稱為t1.5），否則就認為報文幀不完 整；不同報文幀之間需要時長至少為3.5個字符的空閑時間，這個時間區(qū)間被稱為t3.5。RTU 模式下的信息幀如圖2所示。
圖2 RTU模式的信息幀
為了記錄RTU 幀中一個字符結束時間和另一個字符的起始時間，系統(tǒng)分別使用串口中 斷Uart_ISR 和IO 中斷PE24_ISR 分別對這兩個時刻進行捕捉。這需要將HMS30C7202 的串 口中斷時機設置為接收完一個字符后，將通用I/O 端口線PE24 設為允許中斷、下降沿觸發(fā)。
為了縮短關中斷時間和中斷處理時間，可將中斷的處理放在任務中進行。在主任務中調(diào) 用OSTaskCreate函數(shù)分別建立串口接收處理任務Uart_Task和IO口處理任務PE24_Task。在 μC/OS-II中，有一個全局的系統(tǒng)時鐘，維護著一個全局時間變量。在Uart_Task和PE24_Task這兩個任務中分別通過讀取當前全局時間變量來實現(xiàn)對字符起始時間和結束時間的連續(xù)測 量。系統(tǒng)利用μC/OS-II中信號量機制實現(xiàn)中斷與任務之間的同步[3][4]，信號量必須在系統(tǒng)啟 動的時候初始化，利用信號量實現(xiàn)任務與中斷同步的過程如圖3所示。
圖 3 利用信號量實現(xiàn)任務與中斷同步
串口處理任務Uart_Task、IO 口處理任務PE24_Task、串口中斷程序Uart_ISR 和IO 口中斷程序PE24_ISR 的部分代碼如下所示：
由于μC/OS-II是一種可剝奪型實時內(nèi)核，因此當中斷程序結束后要重新進行任務的調(diào) 度。任務的調(diào)度工作是由調(diào)度器完成的，μC/OS-II任務調(diào)度所花的時間是常數(shù)，與應用程序 中建立的任務數(shù)無關，因此串中中斷和IO口中斷后的中斷恢復時間是相同的，如果將通過 優(yōu)化編程使兩個中斷的響應時間相等，則時間間隔Δt的測量結果將更加精確。
4 結語
做為一種源碼開放的實時操作系統(tǒng)，μC/OS-II在計算機檢測與控制等領域得到了廣泛應 用。本文提出并實現(xiàn)了基于ARM嵌入式處理器和μC/OS-II的Modbus協(xié)議測試系統(tǒng)。實驗結 果表明，測試系統(tǒng)實時性好、可靠性高，能很好地滿足Modbus設備的開發(fā)調(diào)試以及Modbus 設備運行過程中的在線檢測需求。