关于操作系统方面论文范文参考文献,与基于μC/OS―II和ModbusRTU协议的密集架控制软件设计相关论文格式

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摘 要：本文提出了基于μC/OS-II和ModbusRTU协议的密集架控制软件在Stm32F103R8T6平台上的设计方法.重点阐述了μCOS-II操作系统的移植、ModbusRTU通信协议的实现方式和主要的应用程序开发.

关 键 词：Stm32；ModbusRTU；μCOS-II移植

密集架是自动化仓储领域具有代表性的一类系统.它由一个固定列和多个移动列组成,通常架体之间紧密排列,不预留任何通道；工作时通过PC机或固定列的人机交互界面打开指定的存取通道.这种“常态闭合,用时打开”的特点,使得密集架系统能够节省很大的仓储空间,同时具备较高的安全性.

密集架系统的核心是控制软件及通信协议.由于系统中移动列数目的不确定,使得固定列和移动列之间的通信复杂度大幅提升,传统的基于中断响应、前后台架构的控制软件设计方式,已经很难满足系统在可靠性、扩展性、开发效率以及模块化结构等方面的要求.引入嵌入式实时多任务操作系统和高效的通讯协议,就成为提高密集架系统整体性能的关键因素.

本文提出了基于多任务实时操作系统μCOS-II和ModbusRTU协议的密集架控制软件的设计方法.软件采用基于ModBusRTU协议的“主从式”通信架构,并利用操作系统特性,将功能模块划分为多个任务,由系统调度执行.经过实验测试,这种设计方法大大提升了密集架系统的稳定性及程序的开发效率.

1密集架系统工作原理

密集架系统通常由一个固定列和若干个移动列组成,固定列和移动列由嵌入式控制器控制,其结构如图1所示.

在密集架系统中,固定列作为核心,主要完成以下任务：

⑴与PC上位机通信,处理下发的控制指令并反馈系统运行状态和传感器信息；

⑵与本列的人机交互单元通信,处理下发的控制指令并反馈系统运行状态和传感器信息；

⑶与所有的移动列通信,实时查询各个移动列状态并下发控制指令.

移动列作为实际运行的机构,需要处理以下任务：

⑴与本列的人机交互单元通信,接收控制指令并反馈运行状态；

⑵处理固定列下发的查询指令和控制指令；执行相应控制动作,反馈运行状态和传感器信息.

由此可以看出,密集架系统控制软件的核心,在于确保固定列和移动列通信稳定的基础上,协调好来自上位机、人机交互单元和各个嵌入式控制器的控制指令和任务,保证系统能够及时高效的响应控制动作.

基于此,在密集架控制软件的设计上,论文采用具有很强的实时性、较为完备的任务调度功能及稳定的通信管理机制的μCOS-II实时操作系统；并基于ModbusRTU协议构建了软件的通信框架.

2μCOS-II操作系统移植

本文移植μCOS-II实时操作系统针对的是基于STM32F103R8T6ARM芯片的硬件平台,需要完成与CPU相关和硬件相关的内容的修改.

2.1移植CPU相关内容

和CPU相关内容的移植,主要是利用CPU的定时器给操作系统提供时钟.

μCOS-II为了处理任务延时和调度等一些时间相关任务,需要由CPU的硬件定时器产生一个毫秒（ms）级的周期性中断来提供一个系统时钟.最小时钟单位就是两次中断之间的时间,称为时钟节拍（TimeTick）,考虑到CPU的执行效率,本系统选择10ms的时钟节拍.

Stm32F103R8T6中,μCOS-II时钟由“滴答时钟”的中断提供：

voidSysTick_Handler（void）

{

OSIntEnter（）；//进入中断服务函数

OSTimeTick（）；//调用时钟节拍服务函数

OSIntExit（）；//退出中断服务函数

}

2.2移植硬件相关内容

（1）OS_CPU.C中的OSTaskInit（）,它是任务的堆栈初始化代码,在创建任务时必须成功调用这个函数,否则会导致系统崩溃.

（2）OS_CPU.H中主要包含三个重要的函数定义,分别是：

OS_ENTER_CRITICAL（）：进入临界区函数,负责关中断及保存全局中断标志位；

OS_EXIT_CRITICAL（）：退出临界区函数,负责恢复全局中断标志位,和OS_ENTER_CRITICAL（）函数成对使用,两个函数之间的代码称为“临界段”.进入临界保护函数时中断关闭,临界段在运行期间不受中断干扰,临界段代码执行完毕,由OS_EXIT_CRITICAL（）函数解除中断屏蔽；

OS_TASK_SW（）：任务级任务切换函数,负责完成任务的正常切换,由任务级调度器OSSched（）调用.

（3）OS_CPU_A.ASM是μCOS-II唯一的汇编文件,这个文件主要涉及到任务切换、启动优先级最高的任务、中断开关等函数.

μCOS-II启动多任务的函数是OSStart（）,用户在调用该函数之前至少需要创建一个任务.在执行OSStart（）函数时,将调用OSStartHighRdy（）运行多任启动前优先级最高的任务,使得系统整个得以运转.

OSCtxSw（）是任务级的上下文切换函数,它被OS_CPU.H中的OS_TASK_SW（）所调用；OSIntCtxSw（）是中断级的任务切换,它被OSIntExit（）调用,在μCOS-II运行完中断服务程序之后完成中断级任务调度.

OS_CPU_SR_Save（）、OS_CPU_SR_Restore（）分别被OS_ENTER_CRITICAL（）和OS_EXIT_CRITICAL（）调用,主要负责屏蔽中断和恢复中断.在移植过程中,根据用户的实际需要,可以对配置文件OS_CFG.H进行修改,从而实现μCOS-II内核的剪裁.

3基于μCOS-II和ModbusRTU协议的控制软件设计

根据密集架控制软件的设计架构,固定列控制软件所面临的数据通信处理的复杂程度远超移动列,且固定列ModbusRTU协议实现机理和移动列完全相同,主要的应用程序也涵盖了移动列应用程序的主要设计思想.因此,本文仅以固定列为样例,来介绍基于μCOS-II和ModbusRTU协议的控制软件设计.

3.1ModbusRTU协议

在密集架系统中,使用“一主多从”的ModbusRTU通信模式,其中固定列作为主设备,移动列作为拥有唯一地址的从设备.固定列和移动列之间可以进行通信,而移动列之间则不能通信.通信的具体流程为：

⑴固定列以中断方式接收本列人机交互界面和上位机发送的功能码为06的控制帧；

⑵固定列以固定时间间隔依次向各移动列发送功能码为03的查询帧；

⑶收到查询帧的移动列向固定列反馈当前状态信息,包括：本列运行状态、本列人机交互界面下发的控制指令、本列传感器信息；

⑷固定列综合系统当前状态和控制指令要求,确定控制逻辑,并向相应移动列发送功能码为06的控制帧；

⑸收到控制帧的移动列根据指令要求完成控制动作.

3.2基于μCOS-II的多任务机制设计

⑴用户任务：完成来自上位机、人机交互界面和移动列各种通信数据的综合解析工作,是控制指令得以正确实现的关键任务.

⑵RS232通信任务：负责和本列人机交互界面的通信工作,任务初始化后始终保持等待信号量状态.主芯片的串口中断实时接收触摸屏命令,当接收到完整的数据帧后,调用OSSemPost（）函数发送信号量,通知RS232通信任务激活ModbusRTU协议解析任务,并根据解析出的控制指令反馈响应信息或者保存按键命令.

⑶RS485通信任务：和RS232通信任务类似,它由对应的RS485接收函数调用OSSemPost（）函

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