1、邮局订阅号 ：82-946 360 元 / 年技术创新控制系统PLC 技术应用 200 例 您的论文得到两院院士关注基于C/OS-II的Modbus协议测试系统Modbus Protocol Test System Based on C/OS-II（ 1.清华大学自动化系 ;2.军械工程学院） 李 戍1,2慕春棣1LI Shu MU Chun-di摘要 : 论文提出了一种基于实时操作系统 C/OS-II 和嵌入式 ARM 微处理器的 Modbus 协议测试系统 ,介绍了系统的结构和软件设计 ,实验表明 :该系统能满足 Modbus设备的开发调试以及 Modbus设备运行过程中的在线检测需求 ,
2、有良好的应用前景 。关键词 : Modbus; C /OS-II; 实时操作系统 ; 嵌入式系统中图分类号 : TP368.1 文献标识码 : BAbstract: This paper introduces a Modbus protocol test system based on C/OS-II and ARM embedded microprocessor, and de-scribes the structure of the system and software design. The experiments show that the system meets the need
3、s of Modbus devicesdevelopment debugging and on-line test.Key words: Modbus; C/OS-II; real time operating system; embedded system文章编号 :1008-0570(2009)04-1-0003-021 引言Modbus 协议最初由 Modicon 公司开发出来， 1979 年末该公司成为施耐德自动化（ Schneider Automation）部门的一部分 。现在 Modbus 协议已经是工业领域全球最流行的协议 。Modbus协议为应用层报文传输协议，仅定义了通讯消息
4、结构，一个Modbus 信息帧包括从机地址 、功能码 、数据区和数据校验码 。Modbus 协议支持传统的 RS-232、RS-422、RS-485 和以太网设备 。许多工业设备，包括 PLC、DCS、智能仪表等都在使用 Modbus 协议作为它们之间的通讯标准 。为适应当前开发 Modbus 设备过程中协议测试的需求以及Modbus 设备在线测试的需要，本文提出并实现了基于 ARM 嵌入式处理器 、C/OS 实时操作系统的 Modbus 协议测试系统，并给出了系统的软硬件设计 。2 系统结构Modbus 协议测试系统硬件设计采用了工业级嵌入式处理器 HMS30C7202。HMS30C7202
5、 是 Hynix 公司的高性能 、低功耗32 位 RISC 微处理器，它由 ARM720T 内核和其他一些外围接口电路组成，工作频率为 70MHz，支持 8KB 的数据与指令Cache、2KB 的 SRAM、支持段式和页式存储的 MMU、写缓冲器及 AMBA 接口 。HMS307202 采用 0.25m 低功耗 CMOS 工艺，片内电压 2.5V， I/O 支持 3.3V 电压，采用了 256 管脚 QFP/BGA封装 。HMS30C7202 片上资源十分丰富，具有极高的集成度，非常适用于嵌入式系统应用，主要应用于 PDA、智能电话 、个人音频设备等场合 。测试系统提供了 RS-232 和以太
6、网接口，用于实现和被测Modbus 设备的联接 。系统 RS-232 接口芯片采用 MAX3232。在嵌入式系统内部，将 MAX3232 的接收输出端与 HMS30C7202的通用 IO 端口 E24 相连 。工作时，使用串行电缆将测试系统RS-232 串口和被测设备的串口联接起来，在测试系统中通过运行测试软件实现对 Modbus协议的测试 。系统结构如图 1所示 。测试系统的系统软件采用 C/OS-II 实时操作系统， C/OS-II 的前身是 C/OS，由美国人 Jean Labrosse 编写 。C/OS-II是一种可剥夺型的实时多任务操作系统，其特点是可固化，可裁减，移植性好 。C/O
7、S-II 功能强大，最多支持 56 个用户任务，支持信号量 、消息邮箱 、消息队列等多种常用的进程间通信机制 。现已成功移植到几乎所有知名的 MCU 上，其稳定性与可靠性已经得到检验 。C/OS-II 是一个可剥夺型抢占式实时多任务内核 。C/OS-II 大部分代码是用 ANSI C 语言编写的，仅包含一小部分汇编语言代码，使之可以提供给不同架构的微处理器使用 。至今，从 8 位到 64 位， C/OS-II 已经在 40 多种不同架构的微处理器上使用 。世界上已经有成千上万的人在各个领域中使用 C/OS，这些领域包括：照相机行业 、航空业 、医疗器械 、网络设备 、自动提款机以及工业机器人等
8、 。图 1 测试系统结构图由于 C/OS-II 仅仅是一个实时多任务的内核，移植 C/OS-II 到处理器平台以后，离实际的应用还有一段距离 。因此必须对 C/OS-II 进行必要的扩充，才能建立一个实用的实时操作系统 。扩充工作主要包括：建立文件系统 、为外部设备建立驱动程序并规范相应的 API 函数 、创建图形用户接口（ GUI函数 、建立其他实用的应用程序接口（ API）函数等 。李 戍 : 讲师基金项目 : 基金申请人 :慕春棣 ; 项目名称 :基于片上心动阵列的可扩展并行卡尔曼滤波器结构及实现方法研究 ; 基金颁发部门 :教育部科技发展中心 (20060003015)3- -技术创新
9、微计算机信息 (测控自动化 )2009 年第 25 卷第 4-1 期360元 / 年 邮局订阅号 ：82-946 现场总线技术应用 200 例 控制系统3 软件设计C/OS-II 下应用程序设计主要是根据系统的功能需要划分不同的任务和中断，并为每个任务分配不同的优先级 。一个任务通常是一个无限的循环，看起来像其它 C 的函数一样，有函数返回类型，有形式参数变量，但任务是决不会返回的，因此返回参数类型必须定义为 void。为了使 C/OS-II 能管理用户任务，用户必须在建立一个任务的时候，将任务的起始地址与其它参数一起传给 OSTaskCreate()或 OSTaskCreateExt()。中
10、断和任务以及任务与任务之间的同步可通过信号量实现 。下面以 Modbus 协议测试程序中 RTU 模式下字符时间间隔的测量为例介绍 C/OS-II 程序设计中任务和中断的划分 。Modbus 的 RTU 模式中规定： RTU 模式下必须以连续的字符流发送整个报文帧，同一个帧中两个字符之间的空闲时间 t不能大于 1.5 个字符时间（称为 t1.5），否则就认为报文帧不完整；不同报文帧之间需要时长至少为 3.5 个字符的空闲时间，这个时间区间被称为 t3.5。RTU 模式下的信息帧如图 2 所示 。为了记录 RTU 帧中一个字符结束时间和另一个字符的起始时间，系统分别使用串口中断 Uart_ISR
11、 和 IO 中断 PE24_ISR分别对这两个时刻进行捕捉 。这需要将 HMS30C7202 的串口中断时机设置为接收完一个字符后，将通用 I/O 端口线 PE24 设为允许中断 、下降沿触发 。为了缩短关中断时间和中断处理时间，可将中断的处理放在任务中进行 。在主任务中调用 OSTaskCreate 函数分别建立串口接收处理任务 Uart_Task 和 IO 口处理任务 PE24_Task。在C/OS-II 中，有一个全局的系统时钟，维护着一个全局时间变量 。在 Uart_Task 和 PE24_Task 这两个任务中分别通过读取当前全局时间变量来实现对字符起始时间和结束时间的连续测量 。系
12、统利用 C/OS-II 中信号量机制实现中断与任务之间的同步，信号量必须在系统启动的时候初始化，利用信号量实现任务与中断同步的过程如图 3 所示 。图 2 RTU 模式的信息帧图 3 利用信号量实现任务与中断同步串口处理任务 Uart_Task、IO 口处理任务 PE24_Task、串口中断程序 Uart_ISR 和 IO 口中断程序 PE24_ISR 的部分代码如下所示：void Uart_Task(void *Id)for(;)OSSemPend(Uart_Sem, 0, /等待信号量t1i=OSTimeGet( );/获取系统当前全局时钟并保存Enable_INT (PE24_INT);
13、 /允许 PE24 中断void PE24_Task(void *Id)for( ; ;)OSSemPend(PE24_Sem, 0, /等待信号量t2j=OSTimeGet( );/获取系统当前全局时钟并保存Clear_INT(PE24_INT); /关闭 PE24 中断void Uart_ISR(int vector, int ndev)OSSemPost(Uart_Sem); /发送信号量void PE24_ISR(int vector, int ndev)OSSemPost(PE24_Sem); /发送信号量由于 C/OS-II 是一种可剥夺型实时内核，因此当中断程序结束后要重新进行任
14、务的调度 。任务的调度工作是由调度器完成的， C/OS-II 任务调度所花的时间是常数，与应用程序中建立的任务数无关，因此串中中断和 IO 口中断后的中断恢复时间是相同的，如果将通过优化编程使两个中断的响应时间相等，则时间间隔 t 的测量结果将更加精确 。4 结语做为一种源码开放的实时操作系统， C/OS-II 在计算机检测与控制等领域得到了广泛应用 。本文提出并实现了基于ARM 嵌入式处理器和 C/OS-II 的 Modbus 协议测试系统 。实验结果表明，测试系统实时性好 、可靠性高，能很好地满足 Modbus设备的开发调试以及 Modbus 设备运行过程中的在线检测需求 。作者创新点：采
15、用工业级嵌入式 ARM 处理器和实时操作系统 C/OS-II 构建 Modbus 协议测试系统，能很好满足 Modbus协议测试需求，具有良好应用与推广前景 。项目经济效益 50 万元 。参考文献1Jean J Lahrosse 著 .邵贝贝译 .C/OS-II源码公开的实时嵌入式操作系统 .北京：中国电力出版社， 20012王田苗 .嵌入式系统设计与实例开发（第 2 版） .北京：清华大学出版社， 2003 （ 下 转 第 16 页 ）4- -技术创新微计算机信息 (测控自动化 )2009 年第 25 卷第 4-1 期360元 / 年 邮局订阅号 ：82-946 现场总线技术应用 200 例
16、 控制系统统 。另外，采用相同的电梯交通流数据和电梯群结构，建立普通模糊神经网络群控制策略 (简称 FNN 策略 )和基于最小平均等待时间的群控制策略 (简称 AWT 策略 )进行对比实验 。考虑到网络规模， FNN 策略的输入属性根据约简后属性集合中各个属性出现的频繁度，选取原始属性中 、 和 组成 。表 2 是运行后的性能指标统计结果 。性能指标包括平均等待时间 、平均乘梯时间 、平均系统时间 、启停次数和长候梯率 。其中平均系统时间是乘客候梯时间与乘梯时间的总和，启停次数是该次仿真时间内所有电梯的总启停次数 。长候梯率是乘客候梯或乘梯时间超过 60 秒的百分比 。群控策略类型中的 10-
17、3指 10 层楼 3 台电梯的系统， 15-4 指 15 层楼 4 台电梯的系统，20-6 指 20 层楼 6 台电梯的系统 。表 2 是混合交通流模式下的实验结果 。实验中客流设为下高峰 -层间 -空闲 -上高峰的组合，系统仿真时间 3600 秒，总客流量为 750 人 。表 2 混合交通模式实验结果Table2 Hybrid traffic pattern simulation results分析上述多组实验数据可知，基于目的层预约的多目标模糊神经网络电梯群控制策略在不同电梯交通模式下都有一定的优化效果，从总体上来看，基本可以满足不同乘客交通流情况和不同的电梯配置的控制要求 。与其他控制策
18、略对比，说明该群控策略可提高电梯系统性能，并能适应实时变化的电梯交通情况，具有一定通用性 。4 结论面对如何有效利用电梯群控制系统中的大量复杂 、冗余或不完备的原始数据以及群控制策略如何适应多种电梯交通模式这两个问题，本文提出 RS-FNN 混合控制策略 。首先针对电梯群控制系统中大量可参考属性信息，采用粗糙集理论进行属性约简，提炼出在不同交通流模式下对系统最重要的属性，再建立相应的模糊神经网络电梯群控制策略 。该群控制策略在派梯调度时，可实时预测和辨识电梯交通流模式，根据不同交通流模式采用不同的模糊神经网络模型进行派梯计算 。仿真实验证明了该算法的有效性 。本文作者创新点 : 把粗糙集理论应
19、用在电梯群控系统中，提出粗糙集 模糊神经网络相结合的控制策略，该策略可以适应混合交通模式，派梯运行效果好 。参考文献1毕晓亮 , 李伟 , 朱昌明 , 叶庆泰 . 电梯群控系统多目标控制策略 J. 上海交通大学学报 , 2004, 38(8):1366-1368.2Q. Zong, Z. H. Wang and L. H. Xue. The use of data fusion inelevatorgroupcontrolsystemJ.ElevatorWorld,2004,52(9):118-124.3Z. Pawlak. Rough Sets. International Journal
20、of Information andComputer SciencesJ, 1982, 11:341-356.4Z. Pawlak, Rough Sets: Theoretical Aspects of Reasoning aboutDataM.KluwerAcademicPublishers,Boston,London,Dordrecht.1991.5Luo Fei,Xu Yuge,Cao Jianzhong Elevator Traffic Flow Predictionwith Least Squares Support Vector MachinesC Proceedings of t
21、heFourth International Conference on Machine Learning and Cybernetics. Guangzhou August 18-21,2005: 4266-42706许玉格，罗飞 . 基于支持向量机的电梯群控系统交通模式识别 J. 华南理工大学学报 (自然科学版 ), 2005,Vol.33(6):32-357A. Skowron. The Discernibility Matrices and Functions in Information Systems, Intelligent Decision Support-Handbook o
22、f Applications and Advances of Rough Sets TheoryM. Kluwer AcademicPublishers, Dordrecht, London, 1992, 331-363.8 王珏等 . 基于 Rough Set 理论的 “数据浓缩 ”J. 计算机学报 ,1998, 21(5):393-3999Xu Yuge, Fei Luo, and Wang Jianguo, A New Modeling Methodfor Elevator Group Control System with Cellular AutomataC. Proceeding
23、of the 5th world congress on intelligent control and automation, June, 2004, 3596-3599.10曹建忠，罗飞，许玉格 新型电梯群控制系统的建模和控制策略研究 。微计算机信息， 2006, 5-1:35-38.作者简介 ：许玉格 (1978-),女 (汉族 )，河南人，华南理工大学讲师，博士，主要从事混合系统建模与智能控制研究 。Biography: XU Yu-ge (1978-), female, Henan Province, SouthChina University of Technology, lect
24、urer，research area is hybridsystem modeling and control.(510640 广 东 广 州 华 南 理 工 大 学 自 动 化 科 学 与 工 程 学 院 )许玉格 罗 飞(Automation Science and engineering college, South China U-niversity of Technology, Guangzhou 510640 China) XU Yu-geLUO Fei通讯地址 : (510640 广东 广州华南理工大学 自动化科学与工程学院 ) 许玉格(收稿日期 :2009.02.23)(修稿日
25、期 :2009.03.25)（ 上 接 第 4 页 ）3基于 Modbus 协议的工业自动化网络规范 .GB/Z 19582.220044杨华，殷承良 .C/OS- 在混合动力汽车总控制中的应用 .微计算机信息， 2007.2-2:262-264作者简介 ：李戍（ 1971.11-），男，清华大学自动化系，讲师，研究方向为嵌入式系统 、ATS.慕春棣（ 1946.06-），女，清华大学自动化系，教授，研究方向为自动控制理论 、嵌入式系统 、无线传感器网络 。Biography: LI Shu (Nov, 1971 - ), Male, Postdoctor fromTsinghua Unive
26、rsity and Ordnance Engineering College, majorsin Embedded System and Auto Test System（100084 清华大学 ）李 戍 慕春棣通讯地址 ：（100084 北京清华大学自动化系 ）慕春棣(收稿日期 :2009.02.23)(修稿日期 :2009.03.25)P LC 技术应用 200 例 将出版 ，每册定价 55 元 (含邮费 )，汇至地址 :北京海淀区皂君庙 14 号院鑫雅苑 6 号楼 601 室微计算机信息 邮编 :100081电话： 010-62132436 010-62192616（ T/F）16- -
