基于VxWorks的雙485口管理系統設計

摘要:VxWorks嵌入式操作系統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死線要求嚴格。詳細介紹了VxWorks下雙485口串行通信系統BSP、驅動程序和應用程序的開發過程。基于VxWorks構建的嵌入式串行通信系統實時性好，效率高，可根據硬件進行優化配置;利用VxWorks的I/O系統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口的驅動程序開發和接口統一問題。關鍵詞:通信系統;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，具有很好的安全性、可靠性及系統靈活性[1-2]。該系統要求兩個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“并發性”，而且各個任務根據不同的“緊迫感”應具有不同的優先級。根據以上多方面的要求和特點，基于優先級搶占式的多任務實時操作系統VxWorks是該系統的首選[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，被絕大多數操作系統默認支持。其基本功能是實現和串行設備間的編碼轉換發送數據時，字節數據經CPU通過通用異步接收發送器(簡稱UART)轉換為串行位，從串行端口發送出去;接收數據時，串行位通過UART被轉換為字節數據，并放入緩沖區，由CPU讀取。通過對UART的內部寄存器的控制實現字節數據和位數據的轉換和通信。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位數據上，然后按設置的波特率把這個二進制位串發送到串行通信線上，如圖1所示;同樣，UART能自動從通信線上接收串行數據，并取出有效的數據位，然后轉換成數據字符存入接收數據寄存器。2串行通信軟件設計該軟件以WindRiver的TornadoII集成開發環境為平臺進行開發。包括BSP開發、驅動程序開發、應用程序開發等步驟。2.1BSP開發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包。它來源于嵌入式操作系統與硬件無關的設計思想[2，4]。操作系統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，提供操作系統的驅動及硬件驅動。它的主要功能包括:系統引導時，初始化目標機硬件;提供目標系統上的驅動程序，如定時器、串口等[2，6]。開發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，開發過程如下。系統配置在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。ConfigAll.h是全局配置頭文件，包括所有目標系統公用的配置參數默認定義，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:該系統開發過程中使用串口(此串口為目標機開發板上的串口)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VxWorks操作系統有兩種方式實現驅動。1)把設備驅動程序作為獨立任務實現，直接在頂層任務中實現硬件操作，完成特有專用的驅動程序。2)VxWorks的I/O系統將設備程序作為內核過程實現。這種方式便于實現I/O子系統的層次模型，便于文件系統一起把設備作為特殊文件處理，提供統一的管理、統一的界面和統一的使用方法，并把設備、文件及網絡通信組織成為一致的更高層次的抽象，為用戶提供統一的系統服務和用戶接口。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根數據傳輸線(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根數據傳輸線(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的數據，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，且無法預測數據傳輸的先后順序和傳輸時機，2個端口的數據接收函數必須分開編寫，其中uartRecQuery()函數用于端口2的查詢工作方式;uartRecData()函數用于端口1的中斷握手方式，其優先級高于uartRecQuery()函數。但數據發送函數可以合并，因為對于單處理器而言，是不可能實現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，按時間片輪轉執行的。這樣不僅不能提高執行效率，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化。下面對其進行說明:調用后，其首先檢測輸入參數是否合法，而后根據端口號選擇工作方式(中斷或查詢)，作相應操作，開始發送數據，每發送一個字節檢測并等待TBRE(發送緩沖寄存器空)信號變為有效，再發送下一字節，數據全部發送完畢后函數返回。其工作流程如驅動程序開發完成后，在usrConfig.c文件的usrRoot()函數里，調用API函數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函數操作兩個不同的串口設備2.3串口通信應用程序設計數據通信按幀進行，幀分為命令幀和應答幀。幀格式為命令幀:命令碼長度參數串異或應答幀:應答碼長度參數串異或

對于多字節參數，按高字節在前，低字節在后的次序發送。數據采用二進制16位有符號整數數據格式。其中，最高位為符號位，數據為二進制格式。數據傳輸時，上位機首先發送一個命令幀，包含數據包個數、最后一個數據包的字節數，除最后一個數據包外，每包大小為16kB。模擬器收到后，回復應答幀并將收到的數據包個數、最后一個數據包的字節數一同發回校驗，對幀長度校驗無誤后開始發送數據。由于傳輸數據量較大，一般校驗方法進行內容誤判率高，不能糾錯，大多數情況下需要重新發送，非常費時。循環冗余校驗法(CRC)由于實現簡單，檢錯能力強，并能糾錯，可以較好地解決這個問題。該系統采用CRC16進行校驗[9]。3結論串行通信以其網絡連接方便、抗干擾性能好、傳輸距離遠等優點，在嵌入式系統得到廣泛