基于嵌入式操作系统的Modbus通信卡设计

基于嵌入式操作系统的Modbus通信卡设计

郭胜芳,董红旗,布少帅

天津海服机电服务有限公司，天津市 266012

摘  要：针对传统嵌入式系统软件设计中采用的前/后台系统实时性、安全性较差的情况，引入嵌入式实时多任务操作系统，并设计了系统监视任务，提高了系统的可靠性和实时性；较详细地给出系统软件的设计思路，以及软件中各任务的具体运行过程。

关键词：  嵌入式操作系统  实时  多任务

1． 引言

以前我们一般所使用的系统，称为前/后台系统（foreground/background）或超循环系统(super-loops)。在这种系统中，应用程序是一个无限的循环，循环中任务函数按在代码中的顺序运行，处理相应的事务，这部分看成后台行为，中断服务程序处理异步事件，这部分称为前台行为。时间相关性强的关键操作靠中断服务来保证，但是当系统比较复杂、中断资源有限时，中断程序只能将处理该任务的信息条件准备好后返回，等到后台程序按顺序执行到该任务时，任务才得以执行，所以任务每次的执行时间间隔是不定的，系统的实时性和可靠性较差。

嵌入式操作系统是一种实时操作系统，它具有良好的实时性和可靠性，用户只需添加所需的任务到操作系统中即可，既可节省开发时间，又提高了程序的实时性、可靠性[1]。

2． 硬件系统设计

    Modbus通信卡采用PHILIPS公司的P89C51RD2HBP作为处理器，该终端从功能上可分为数据采集部分，液晶显示及键盘阵列部分，通信部分及微处理器小系统部分。数据采集部分用来对电压、电流信号进行采样和A/D转换；液晶显示和键盘阵列为人机信息交换的硬件接口；通信部分用来与上位机进行数据交换。

3． 嵌入式系统的软件设计

3.1  任务的划分

根据Modbus通信卡实现的功能进行系统任务的划分，并确定各任务的优先级。Modbus通信卡要实现的功能如下：

①处理液晶显示和键盘扫描，响应按键命令，优先级高；

② 网络通信功能，通过RS485通信接口实现Modbus通信协议，接入工业局域网，优先级次高；

③ 对电压、电流信号进行采样，A/D转换，优先级低；

④ 对所采集到的数据进行计算分析，得出各种监测指标参数，优先级最低。

根据以上要实现的任务，划分系统的任务如图1所示，本系统采用静态优先级，即运行过程中任务的优先级不变。

图1 系统设计任务划分图

图1中的系统任务即嵌入式操作系统的内核，它提供任务调度、任务管理、时间管理、任务间的通信及同步和中断管理等功能。硬件驱动作为硬件或软件中断管理。用户任务中的系统监视任务用来监视其他任务，提高系统的可靠性。

3.2 任务的状态及任务调度

嵌入式实时操作系统中任务可以分为休眠态、就绪态、运行态、中断态和挂起态5种状态。任务状态的转换关系如图2所示。

图2 任务状态转换图

在嵌入式系统中，为节省存储器空间不会保留休眠态的任务。当一个任务占用CPU时，该任务处于运行态，其优先级一定是所有就绪态任务中优先级最高的。某一时刻只有一个任务处于运行状态。

挂起态的任务等待某一事件的发生（可能是消息阵列，也可能是信号量），等待时间可由系统设定。在所规定的时间内，如果得到所期待的数据，任务就转为就绪态，否则，就被时间管理函数强行转化为就绪态，等待任务调度。

中断发生时，运行态任务被强行转入中断态，丧失对CPU的使用权。因中断可能发送消息使挂起态的任务转为就绪态，所以中断返回后要执行任务调度函数，使最高优先级的任务转为运行态。

为保证系统的实时性，嵌入式操作系统采用抢占式内核，即操作系统总是运行就绪态任务中优先级最高的任务，任务调度发生在以下2种情况：

① 当某一任务运行完毕时就调用延时函数，使自身延时一个或几个时钟周期，此时发生任务调度；

② 每一次时钟周期中断后，或其他中断程序处理事务后，可能使一些任务运行准备就绪，此时重新整理和搜索任务就绪表，进行任务调度。

3.3  任务的结构

嵌入式实时操作系统中每个任务都是一个无限的循环，分别实现某一特定的功能。任务均由三部分组成：应用程序、任务堆栈以及任务控制块。其中只有应用程序被烧入ROM，而任务本身则被置于RAM，待系统运行时再予建立。

任务堆栈用以存储CPU寄存器的内容。当某任务由运行态变为其它状态时，CPU寄存器内容压入相应任务堆栈，反之则将相应任务堆栈内容置入CPU寄存器。

任务控制块是系统定义的一个数据结构，内容包括任务堆栈的地址、任务当前状态、任务优先权等。当任务的CPU使用权被剥夺时，嵌入式用它来保存该任务的状态；当任务重新得到CPU的使用权时，任务控制块能确保任务从当时被中断的那一点继续执行。

3.4  系统监视任务的设计

本系统工作环境干扰相当大，虽已采取许多抗干扰措施如光电隔离，软件陷阱等，仍有可能发生程序跑飞、死机现象，直到看门狗复位才可使系统恢复正常。但在看门狗复位前的这段时间，设备对电压、电流的采样不能正常进行，采样数据会丢失，同时会影响到数据通信。为此本系统采用系统监视任务监督其他任务是否正常运行，若未能正常运行就采取一定措施尽量减少看门狗复位的次数。

系统监视任务的设计思路是：系统监视任务的优先级设为最高，一般它处于挂起态，等待被监视任务向它发送消息。被监视任务在执行完毕前向系统监视任务发送一消息，表明本任务运行正常。若在等待时间内，系统监视任务没有收到被监视任务发送的消息，系统将系统监视任务由挂起态转为就绪态，系统监视任务将采取相应的措施，避免看门狗复位。等待时间根据任务运行所需的最大时间设定。

4. 结束语

本文将该操作系统及系统监视任务应用于Modbus通信卡中，大大提高了系统的实时性和可靠性，提高了产品性能，达到了产品设计目标。

参考文献：

[1] 王劲松,李正熙,夏旺盛. 嵌入式操作系统嵌入式的内核实现.现代电子技术2003（8）48~50

[2] Jean J.Labrosse著，邵贝贝译.嵌入式实时操作系统嵌入式.北京：北京航空航天大学出版社，2003.5