基于嵌入式实时操作系统的现场总线网关的设计

一、引言
随着现场总线技术的不断发展，诸如计算机技术、通信技术等不断地引入到自动控制领域，大大地促进了新一代控制系统——现场总线控制系统(FCS)的发展。
随着嵌入式系统与网络的日益结合，在嵌入式实时操作系统(RTOS)中引入TCP/IP协议栈，以支持嵌入式设备接入网络，成为嵌入式领域重要的研究方向。
本文将介绍基于嵌入式实时操作系统的现场总线网关的设计。其中所介绍的现场总线是WorldFIP现场总线;实时操作系统(RTOS)是μC/OS-Ⅱ。
二、WorldFIP现场总线和μC/OS-Ⅱ简介
l.WorldFIP现场总线简介
WorldFIP FCS是一种用于自动化系统的现场总统提供现场设备和控制器以及控制器之间的数字化连接。WorldFIP FCS适合各种应用结构:集中、分散和主从;其开放性使不同制造厂家的设备能够互操作。WorldFIP除了具备现场总线的一般特点，如数字化，标准化，节省布线，安装方便，维护性好，互换性和互操作性等，还具有很多独到之处，如协议单一、抗干扰能力强、带调度的总线访问控制等。
2.实时操作系统μC/OS-Ⅱ简介
嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ是基于优先级的抢占式实时多任务操作系统，其内核可以简单地看做是一个多任务的调度器，在这个任务调度器之上完善并添加了和实时多任务操作系统相关的一些系统服务，如任务管理、时间管理、信号量、邮箱等。它的90%的代码都是用C语言编写的，因此μC/OS-Ⅱ具有良好的可移植性。移植工作的绝大部分都集中在多任务切换的实现上，由于这部分代码主要是用来保存和恢复处理器现场(即相关寄存器)，与处理器硬件相关，因此只能使用特定的处理器汇编语言完成。在本文嵌入式网关的开发过程中，以开源TCP/IP协议栈LwIP为基础，实现了μC/OS-Ⅱ的网络支持功能。LwIP实现了 TCP/IP的主要协议如TCP、UDP、ICMP、IP、ARP，其优点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对资源的占用，使得LwIP协议栈非常适合在低端嵌入式系统中使用。
三、嵌入式网关的设计
本设计所设计的嵌入式网关的主要功能是实现WorldFIP现场总线和Internet之间的相互通信时的协议转换，从而实现工业控制中管理层和现场控制层之间的无缝结合，使得WorldFIP现场总线成为一个真正开放的工业控制网络。控制系统模型如图1所示。

网关的设计过程中，自上而下分为三层:应用/任务层、操作系统层和硬件层。分层结构如图2所示。

(一)硬件层设计
硬件层设计主要包括选择合适的芯片及进行原理设计。在本设计中，选用Samsung公司的ARM 32bits芯片s3c451Ob微处理器，它的运行速率为5OMHz，带有Ethernet控制器;网卡芯片使用ICS1890;WorldFIP侧选用的芯片是符合WorldFIP现场总线协议的专用芯片(Fullfip2、FIPDUAL等)；CPLD选用ALTERA公司的EPM7128SLC84，主要用于s3c4510b和Fullfip2之间的时序匹配和逻辑组合；SDRAM选用Hynix的HY57v64323220，主要用于任务堆栈和中间变量；flash选用SST的39VF169，主要用于存放程序；SRAM选用ISSI的IC61C1024，主要用于存放Fullfip2的微码和中间变量。硬件结构如图3所示。

(二)操作系统层设计
操作系统层设计的主要内容是在系统硬件平台上构建一个工作平台，在这个平台上建立应用程序、创建任务等。操作系统层设计主要包括三部分：