現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的MAC機(jī)制研究※

頡新春，田康，李忠虎

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，包頭014010）

頡新春（副教授），主要從事現(xiàn)場(chǎng)總線與FPGA 等技術(shù)的研究；田康（碩士研究生），主要研究方向?yàn)閱纹瑱C(jī)通信；李忠虎（教授），主要研究方向?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)、過(guò)程參數(shù)檢測(cè)與處理、智能儀器。

引 言

近年來(lái)，嵌入式微處理器在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用發(fā)展迅速。許多實(shí)際應(yīng)用以51 系列單片機(jī)為設(shè)計(jì)平臺(tái)得以實(shí)現(xiàn)。本文利用32 位微控制器STM32F103 作為核心芯片，在Profibus協(xié)議下實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線水位監(jiān)控系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了總線上各節(jié)點(diǎn)只能通過(guò)一個(gè)信道收發(fā)數(shù)據(jù)，即各節(jié)點(diǎn)需要競(jìng)爭(zhēng)同一介質(zhì)收發(fā)數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定。本文在不改變MAC 機(jī)制的前提下，通過(guò)應(yīng)用層調(diào)度算法提高了現(xiàn)場(chǎng)總線水位監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

1 MAC機(jī)制

1.1 MAC機(jī)制對(duì)實(shí)時(shí)性的影響

MAC機(jī)制即一種能夠解決因多個(gè)終端設(shè)備同時(shí)發(fā)送通信請(qǐng)求而產(chǎn)生爭(zhēng)用通信介質(zhì)問(wèn)題的協(xié)議。控制協(xié)議所采用的介質(zhì)訪問(wèn)控制方法與控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性關(guān)系密切，共享相同通信介質(zhì)的總線結(jié)構(gòu)是當(dāng)前多數(shù)控制網(wǎng)絡(luò)的選擇。總線使用權(quán)的調(diào)度方式?jīng)Q定了節(jié)點(diǎn)通信的快慢，介質(zhì)訪問(wèn)控制機(jī)制就是在最大程度上利用通信信道，優(yōu)化MAC機(jī)制是提高控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵所在。

1.2 基于MAC機(jī)制的調(diào)度方法

令牌環(huán)即令牌沿著節(jié)點(diǎn)組成的環(huán)狀總線循環(huán)。各站均沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，令牌為空令牌；當(dāng)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的節(jié)點(diǎn)迎來(lái)令牌時(shí)，令牌改為忙令牌，此時(shí)其他節(jié)點(diǎn)不能發(fā)送數(shù)據(jù)，必須等待。信息負(fù)載量小時(shí)，效率較低，反之較高。把每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要傳輸?shù)男畔磿r(shí)間要求分為實(shí)時(shí)信息和非實(shí)時(shí)性信息兩個(gè)隊(duì)列，即把一個(gè)節(jié)點(diǎn)分為兩個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)。當(dāng)令牌傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)時(shí)，先執(zhí)行實(shí)時(shí)性要求高的隊(duì)列通信，然后再執(zhí)行實(shí)時(shí)性低的隊(duì)列，并且兩隊(duì)信息執(zhí)行不同的協(xié)議策略。虛擬節(jié)點(diǎn)通信模型如圖1所示。

圖1 虛擬節(jié)點(diǎn)通信系統(tǒng)模型

對(duì)實(shí)時(shí)性信息采用空竭式服務(wù)，即對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)每次連續(xù)發(fā)送的數(shù)據(jù)數(shù)目設(shè)置上限，若令牌傳遞到此節(jié)點(diǎn)，且節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送的實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)數(shù)目少于設(shè)定上限，則所有信息都能被傳送；若數(shù)據(jù)數(shù)目多于此上限，則上限數(shù)目個(gè)實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)被服務(wù)后，剩余信息需等到下一個(gè)輪詢周期才能被服務(wù)。

對(duì)非實(shí)時(shí)性信息采用限量式服務(wù)，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)服務(wù)時(shí)間為一個(gè)信息的服務(wù)時(shí)間，此協(xié)議下，既能保證為其他節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)性信息縮短等待時(shí)間，也能保證在實(shí)時(shí)信息不多或沒(méi)有的條件下，各節(jié)點(diǎn)非實(shí)時(shí)性信息有均等機(jī)會(huì)及時(shí)被服務(wù)。

2 調(diào)度算法在Profibus中的應(yīng)用

2.1 Profibus的MAC機(jī)制

Profibus是一種國(guó)際性的開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線，使用的是MAC機(jī)制中的令牌傳遞。在此機(jī)制中，地址最低的節(jié)點(diǎn)上電后創(chuàng)建令牌，令牌的接收者在協(xié)議內(nèi)有權(quán)限訪問(wèn)總線，持有令牌的節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)后，將令牌傳遞到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。總線節(jié)點(diǎn)包括主站和從站兩種類型，主站通過(guò)總線形成的環(huán)為邏輯環(huán)，令牌在邏輯環(huán)內(nèi)循環(huán)輪轉(zhuǎn)，這種機(jī)制使主站和從站在確定的最大時(shí)間內(nèi)擁有總線接入權(quán)。令牌循環(huán)模型如圖2所示。

圖2 令牌循環(huán)模型

Profibus總線通信通過(guò)報(bào)文循環(huán)實(shí)現(xiàn)，從主站發(fā)送數(shù)據(jù)的動(dòng)作幀到接收到從站的響應(yīng)幀為一個(gè)報(bào)文循環(huán)，一個(gè)報(bào)文循環(huán)必須完整進(jìn)行。數(shù)據(jù)鏈路層的FD 提供SDA、SRD、SDN、CSRD四種服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，且每種服務(wù)都有對(duì)應(yīng)的一種幀格式。經(jīng)計(jì)算分析得知：TSRD傳輸時(shí)間最長(zhǎng)，TSDN傳輸時(shí)間最短，兩者相差約50.25%～52.92%。主從站數(shù)據(jù)交換過(guò)程如圖3所示。

圖3 主從站數(shù)據(jù)交換過(guò)程

動(dòng)作幀前需加入3字節(jié)同步幀TSYN（為33Tbit），此外接收到報(bào)文最后一位時(shí)需等待一定時(shí)間TIDL，其值需大于TSYN，典型值為75Tbit。主站發(fā)送數(shù)據(jù)幀的最后一位到接收到響應(yīng)幀的第一位之間的時(shí)間間隔定義為Slot－time，TSL是Slot－time被允許的最大值。時(shí)間超過(guò)TSL后主站還未接收到響應(yīng)，則認(rèn)為出錯(cuò)，此時(shí)主站重新發(fā)送請(qǐng)求幀，或?qū)㈠e(cuò)誤上傳FDL層交給上層軟件處理。

2.2 計(jì)算令牌周期

令牌循環(huán)時(shí)間TTR的定義對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性影響重大，相關(guān)參考文獻(xiàn)給出過(guò)如何設(shè)置參數(shù)TTR的最小值，但在同一個(gè)Profibus總線中工作的節(jié)點(diǎn)設(shè)備往往來(lái)自不同生產(chǎn)商，因此找到一個(gè)對(duì)系統(tǒng)整體最合適的TTR值就特別重要。這里需要考慮負(fù)載和TTR值之間存在的量化關(guān)系。

令牌持有時(shí)間TTH為目標(biāo)令牌設(shè)定循環(huán)時(shí)間TTR與令牌實(shí)際循環(huán)時(shí)間TRR之差，即：

因此目標(biāo)令牌TTR設(shè)定值決定了TTH的大小。若TTH≤0，則節(jié)點(diǎn)只能發(fā)送一個(gè)高優(yōu)先級(jí)報(bào)文；若TTH＞0，依次發(fā)送高低優(yōu)先級(jí)報(bào)文。

設(shè)系統(tǒng)含有N 個(gè)主站，系統(tǒng)負(fù)荷為P，任一主站負(fù)荷為Pi，一次數(shù)據(jù)交換時(shí)間為T(mén)D，令牌總傳遞時(shí)間為u，主站間令牌時(shí)間均為ui，Pih為高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列負(fù)荷，k為低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列允許服務(wù)的最大數(shù)量，則

閾值k與目標(biāo)令牌循環(huán)時(shí)間關(guān)系如圖4所示。

圖4 閾值k與目標(biāo)令牌循環(huán)時(shí)間關(guān)系

此時(shí)，根據(jù)實(shí)時(shí)信息要求選定適當(dāng)?shù)膋值，從而計(jì)算出合適的令牌循環(huán)周期。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用多主站節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，選用兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)單系統(tǒng)模型進(jìn)行研究。數(shù)據(jù)傳輸采用SRD 服務(wù)，通信數(shù)據(jù)長(zhǎng)度最長(zhǎng)為8字節(jié)，波特率為187.5kbps，即每個(gè)位時(shí)間Tbit＝5.33μs，TSRD設(shè)定為11Tbit。節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)圖如圖5所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)圖

系統(tǒng)主要通過(guò)令牌傳遞和調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性的分散控制，采用STM32F103 單片機(jī)和智能接口芯片SPC3為核心開(kāi)發(fā)方案。硬件整體結(jié)構(gòu)主要包括STM32F103微控制器及外圍電路、SPC3工作電路、Profibus總線通信接口電路、壓力采集電路及供電電路，系統(tǒng)各部分由地址總線和數(shù)據(jù)總線相連。

3.2 信號(hào)采集處理部分

本設(shè)計(jì)中，STLP液位傳感器將輸出4～20mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，送到單片機(jī)測(cè)量顯示，需要將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，采用電流／電壓轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換。此處采用ISO EM 系列隔離放大器，壓力采集電路如圖6所示。

圖6 壓力采集電路

本系統(tǒng)中，采用ISO EM－A4－P3－O4型號(hào)的直流電壓／電流信號(hào)隔離放大器，可實(shí)現(xiàn)4～20mA／0～5V 的線性轉(zhuǎn)換，模塊電源電壓為5V。單片機(jī)讀取0～5V 電壓模擬信號(hào)，可采用8位A／D轉(zhuǎn)換芯片ADC0805CN實(shí)現(xiàn)。

3.3 主電路模塊

單片機(jī)模塊電路核心選用STM32F103，晶振頻率選用11.059 2 MHz，采用手動(dòng)復(fù)位和上電復(fù)位兩種方式。具體電路設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 核心模塊電路

4 調(diào)度算法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件平臺(tái)上的各節(jié)點(diǎn)按照預(yù)先設(shè)定的參數(shù)（包括周期、優(yōu)先級(jí)、所傳送數(shù)據(jù)等）對(duì)傳送的信息進(jìn)行預(yù)訂。接收端節(jié)點(diǎn)收到來(lái)自發(fā)送端節(jié)點(diǎn)的信息時(shí)，對(duì)所接收信息的性能指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算處理。

如果有順序排列的A、B、C 三個(gè)節(jié)點(diǎn)，A 節(jié)點(diǎn)取得信道使用權(quán)后，首先判斷其是否有需要發(fā)送的高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)，若有，則A 節(jié)點(diǎn)在令牌持有時(shí)間內(nèi)進(jìn)行高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)傳輸。如果在持有令牌時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，再按FCFS原則發(fā)送固定位低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)；如果高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)不能在令牌持有時(shí)間內(nèi)發(fā)送完，則在達(dá)到持有時(shí)間邊緣狀態(tài)時(shí)停止高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)發(fā)送，繼續(xù)發(fā)送固定位低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)，最后將令牌恢復(fù)為空令牌傳給下一節(jié)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖8所示。

結(jié) 語(yǔ)

本文建立了Profibus多節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，結(jié)合對(duì)Profibus協(xié)議內(nèi)容的分析，提出了在不改變?cè)蠱AC機(jī)制前提下設(shè)計(jì)新型調(diào)度算法，結(jié)合傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性分散控制。根據(jù)對(duì)實(shí)時(shí)信息接收的不同要求，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的令牌循環(huán)周期設(shè)定值，從而使通信信道達(dá)到最好的分配利用，實(shí)時(shí)性結(jié)果驗(yàn)證圖略——編者注。

圖8 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

可以得出結(jié)論：信息負(fù)載量越高，此設(shè)計(jì)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)越明顯。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見(jiàn)本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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