摘  要：本文介紹了在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Vxworks下串行設(shè)備的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)，提出了一種基于RS-485總線(xiàn)的新型串口通信協(xié)議，重點(diǎn)討論了基于這種協(xié)議的應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)方法，發(fā)送時(shí)主要采用了總線(xiàn)仲裁機(jī)制，接收時(shí)主要采用了字符合法性校驗(yàn)、長(zhǎng)度校驗(yàn)、內(nèi)容的CRC校驗(yàn)，提高了系統(tǒng)的通信效率和穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞：VxWorks；RS-485；通信協(xié)議；總線(xiàn)仲裁；CRC校驗(yàn)

1 引言

隨著信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)、通訊、數(shù)碼產(chǎn)品等領(lǐng)域的高速增長(zhǎng)，數(shù)字化時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨。嵌入式設(shè)備是數(shù)字化時(shí)代的主流產(chǎn)品，嵌入式軟件是數(shù)字化產(chǎn)品的核心，作為嵌入式軟件的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，嵌入式操作系統(tǒng)在產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中扮演著越來(lái)越重要的角色，應(yīng)用遍及工業(yè)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)通信、航空航天、醫(yī)療儀器等領(lǐng)域。

2 RS-485總線(xiàn)

RS-485總線(xiàn)接口是一種常用的串口，具有網(wǎng)絡(luò)連接方便、抗干擾性能好、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。RS-485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力，加上收發(fā)器具有高的靈敏度，能檢測(cè)到低達(dá)200mv的電壓，可靠通信的傳輸距離可達(dá)數(shù)千米。使用RS-485總線(xiàn)組網(wǎng)，只需一對(duì)雙絞線(xiàn)就可實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)、設(shè)備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、通信距離長(zhǎng)。

3 VxWorks中串口驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

VxWorks 操作系統(tǒng)是美國(guó)Wind River公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)，是嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。Vxworks 操作系統(tǒng)的I/O 系統(tǒng)可以提供簡(jiǎn)單、統(tǒng)一、與任何設(shè)備無(wú)關(guān)的接口。這些設(shè)備包括：面向字符設(shè)備、隨機(jī)塊存儲(chǔ)設(shè)備、虛擬設(shè)備、控制和監(jiān)視設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。Vxworks 的I/O 系統(tǒng)包括基本I/O 系統(tǒng)和緩沖I/O 系統(tǒng)，具有比其他I/O 系統(tǒng)更快速，兼容性更好的特性。這對(duì)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)是很重要的。

3.1 串口驅(qū)動(dòng)架構(gòu)

基于vxWorks的串口設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序架構(gòu)，對(duì)vxWorks的虛擬設(shè)備ttyDrv進(jìn)行封裝，向上將TTY設(shè)備安裝到標(biāo)準(zhǔn)的I/O系統(tǒng)中，上層應(yīng)用通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的I/O 接口完成對(duì)硬件設(shè)備的操作，向下提供對(duì)實(shí)際硬件設(shè)備的底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。其軟件架構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，串口設(shè)備驅(qū)動(dòng)由兩部分組成，一部分為對(duì)ttyDrv進(jìn)行封裝，將串行設(shè)備安裝到標(biāo)準(zhǔn)的I/O系統(tǒng)中，提供對(duì)外的接口；另一部分為串行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，提供對(duì)硬件設(shè)備的基本操作。

虛擬設(shè)備ttyDrv管理著I/O系統(tǒng)和真實(shí)驅(qū)動(dòng)程序之間的通信。在I/O系統(tǒng)方面，虛擬設(shè)備ttyDrv作為一個(gè)字符型設(shè)備存在，它將自身的入口點(diǎn)函數(shù)掛在I/O系統(tǒng)上，創(chuàng)建設(shè)備描述符并將其加入到設(shè)備列表中。當(dāng)用戶(hù)有I/O請(qǐng)求包到達(dá)I/O系統(tǒng)中時(shí)，I/O系統(tǒng)會(huì)調(diào)用ttyDrv相應(yīng)的函數(shù)響應(yīng)請(qǐng)求。同時(shí)，ttyDrv管理了緩沖區(qū)的互斥和任務(wù)的同步操作。另一方面，ttyDrv負(fù)責(zé)與實(shí)際的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序交換信息。通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供的回調(diào)函數(shù)及必要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，ttyDrv將系統(tǒng)的I/O請(qǐng)求作相應(yīng)的處理后，傳遞給設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序完成實(shí)際的I/O操作。

3.2 驅(qū)動(dòng)初始化

串口設(shè)備的初始化xxDevInit流程如圖2。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)的初始化過(guò)程首先調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)ttyDrv()，該函數(shù)通過(guò)調(diào)用iosDrvInstall()將ttyOpen()、ttyIoctl()、tyRead()、tyRead、tyWrite安裝到系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)函數(shù)表中，供I/O系統(tǒng)調(diào)用。

接著根據(jù)用戶(hù)入?yún)?duì)串口芯片寄存器進(jìn)行初始化，安裝驅(qū)動(dòng)函數(shù)指針。

最后調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)ttyDevCreate()創(chuàng)建ttyDrv設(shè)備。該函數(shù)初始化設(shè)備描述符，調(diào)用tyDevInit()函數(shù)初始化tyLib、初始化select功能、創(chuàng)建信號(hào)量和輸入輸出緩沖區(qū)，調(diào)用iosDevAdd()函數(shù)將設(shè)備添加到設(shè)備列表中并將設(shè)備置為中斷模式。

驅(qū)動(dòng)模塊初始化成功后，應(yīng)用程序就可以用標(biāo)準(zhǔn)的I/O函數(shù)read()和write()收發(fā)數(shù)據(jù)了。

4 RS-485通信協(xié)議

4.1 485通信幀格式

表 1   485通信幀格式

長(zhǎng)度字段不包含控制字段、檢驗(yàn)字段。校驗(yàn)字段使用CCITT的CRC16的校驗(yàn)方法，其生成多項(xiàng)式為 。校驗(yàn)字段默認(rèn)是加上的，只有在發(fā)送方的CPU負(fù)荷比較大時(shí)，并且能夠保證本幀出現(xiàn)的錯(cuò)誤不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的和現(xiàn)實(shí)的影響，或者保證影響在可以控制在一定范圍內(nèi)并且可以忍受時(shí)，才考慮取消校驗(yàn)字段。當(dāng)接收方接收到幀的總長(zhǎng)度減去長(zhǎng)度字段值與幀頭的長(zhǎng)度之和，得到的結(jié)果為2時(shí)，表明發(fā)送方附帶了校驗(yàn)和。

4.2 485數(shù)據(jù)鏈路層幀

表 2  485鏈路層幀格式

頭標(biāo)志是任意個(gè)數(shù)的連續(xù)的字符0x7E，尾標(biāo)志也是任意個(gè)數(shù)的連續(xù)的字符0x7E。預(yù)定頭標(biāo)志為1Byte，尾標(biāo)志為2Bytes，在發(fā)送方的CPU認(rèn)為發(fā)送完畢最后一個(gè)尾標(biāo)志字符時(shí)，保證第一個(gè)尾標(biāo)志字符能夠完全到達(dá)目的設(shè)備。發(fā)送方除頭標(biāo)志或尾標(biāo)志之外，不允許出現(xiàn)0X7E，若遇到0X7E，則拆分成0X7D，0X5E；若出現(xiàn)0X7D，則拆分成0X7D，0X5D傳送。

5 串行通信應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

5.1 初始化配置

• 創(chuàng)建一個(gè)51200Bytes的接收環(huán)形緩沖區(qū)，用來(lái)存放剩余的或不成幀的數(shù)據(jù)：g_tRecvRingId = rngCreate(51200);
• 串口設(shè)備描述符為 “myCom”，打開(kāi)串口并創(chuàng)建設(shè)備讀寫(xiě)描述符：

g_sdwChannelFD = open(“myCom”, O_RDWR, 0);

• 設(shè)置波特率：ioctl(g_sdwChannelFD, FIOBAUDRATE, g_RS485LinkCB[i].sdwBaudRate);
• 清空接收、發(fā)送緩存：ioctl(g_sdwChannelFD, FIOFLUSH,0);
• 工作模式設(shè)置：ioctl(g_sdwChannelFD, FIOSETOPTIONS, OPT_RAW);

5.2 通信發(fā)送過(guò)程

在發(fā)送之前，發(fā)送方需要按照雙方約定的485通信幀格式將消息組幀，并按照約定數(shù)據(jù)鏈路傳輸協(xié)議組成485的數(shù)據(jù)鏈路幀。接下來(lái)就是如何發(fā)送數(shù)據(jù)包了。

在RS-485通信中，發(fā)送過(guò)程主要采取了總線(xiàn)仲裁機(jī)制：

在向485總線(xiàn)寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，主設(shè)備先寫(xiě)一字節(jié)的地址請(qǐng)求，所有的從設(shè)備均會(huì)收到，只有地址與之相等的從設(shè)備端口打開(kāi)，其他設(shè)備全部關(guān)閉。這樣，主設(shè)備與從設(shè)備之間的通信就是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的。

每一個(gè)從設(shè)備均有一根請(qǐng)求線(xiàn)與主設(shè)備相連，若從設(shè)備需要與主設(shè)備通信時(shí)，先通過(guò)請(qǐng)求線(xiàn)進(jìn)行請(qǐng)求，當(dāng)請(qǐng)求成功后，從設(shè)備應(yīng)能檢測(cè)到總線(xiàn)上的地址與自身地址相同，從設(shè)備才能打開(kāi)發(fā)送中斷，才能發(fā)送消息，發(fā)送完之后必須關(guān)閉發(fā)送中斷，釋放總線(xiàn)，以保證其他從設(shè)備這段時(shí)間能與主設(shè)備正常通信，提高通信效率。

RS-485通信發(fā)送流程圖如圖3所示。

5.3 通信接收過(guò)程

對(duì)于串口通信，仍然要關(guān)心數(shù)據(jù)接收的實(shí)時(shí)性，因此采用中斷方式，利用VxWorks 提供的select 函數(shù)的事件觸發(fā)機(jī)制，將讀串口的任務(wù)阻塞使其一直等待數(shù)據(jù)，當(dāng)有數(shù)據(jù)來(lái)到的時(shí)候該任務(wù)會(huì)立刻自動(dòng)響應(yīng)，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，調(diào)用read( )接收數(shù)據(jù)并存入先前創(chuàng)建的接收環(huán)形緩沖區(qū)g_tRecvRingId中直至緩沖區(qū)g_tRecvRingId滿(mǎn)或接收完鏈路上的數(shù)據(jù)，接下來(lái)就是根據(jù)通信協(xié)議來(lái)處理數(shù)據(jù)包――解幀處理過(guò)程。

接收方判斷開(kāi)始485通信幀的條件是，設(shè)備不報(bào)告接收錯(cuò)誤的情況下，接收到0x7E字符之后的第一個(gè)非0x7E的字符。判斷幀結(jié)束的條件是，幀接收已經(jīng)開(kāi)始，遇到第一個(gè)尾標(biāo)志字符。在兩個(gè)0X7E間若收到0X7D，則丟棄，并將其后的一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)與0X20異或。

當(dāng)鏈路層的通信幀接收已經(jīng)開(kāi)始的情況下，設(shè)備報(bào)告字符接收錯(cuò)誤，此時(shí)應(yīng)當(dāng)丟棄本幀，結(jié)束幀的接收，重新開(kāi)始搜索下一幀。

長(zhǎng)度字段后面的字節(jié)個(gè)數(shù)不等于長(zhǎng)度字段指示，并且也不等于長(zhǎng)度字段加2時(shí)，指示長(zhǎng)度錯(cuò)誤，作無(wú)效幀。幀長(zhǎng)度小于幀頭的長(zhǎng)度的幀視為無(wú)效幀。當(dāng)接收的字符個(gè)數(shù)超過(guò)最大的485通信幀字節(jié)數(shù)——262時(shí)，也認(rèn)為接收錯(cuò)誤，重新開(kāi)始搜索頭標(biāo)志，檢出下一幀數(shù)據(jù)。

超時(shí)保護(hù)：如果接收收方在接收一幀數(shù)據(jù)時(shí)，在未接收完一幀時(shí)，超過(guò)20ms（2個(gè)Ticks）仍未有數(shù)據(jù)到達(dá)，則認(rèn)為本幀數(shù)據(jù)接收結(jié)束，并將其丟棄。

在允許進(jìn)行校驗(yàn)的情況下，對(duì)接收到的幀進(jìn)行CRC校驗(yàn)。如果校驗(yàn)字段與幀的校驗(yàn)結(jié)果不符，認(rèn)為幀出錯(cuò)，通常作丟棄處理。

幀頭中，目的地址與接收單元不匹配時(shí)，丟棄該幀。

6、結(jié)束語(yǔ)

VxWorks是一種高性能嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛地應(yīng)用在通信、自動(dòng)化、航空等各個(gè)領(lǐng)域中。許多外部終端設(shè)備如打印機(jī)、邏輯分析儀等都采用串行方式，以及對(duì)單板的調(diào)試也要用到串行口，因此掌握在Vxworks下的串行通信是非常重要的。

本文的創(chuàng)新之處在于提出一種新的RS-485通信協(xié)議，在這種協(xié)議中，發(fā)送方根據(jù)協(xié)議組幀，再采用總線(xiàn)仲裁機(jī)制將消息發(fā)送出去，而接收方則將收到的字符合法性校驗(yàn)，當(dāng)收到一幀完整的幀后，根據(jù)幀頭中長(zhǎng)度字段做幀長(zhǎng)度校驗(yàn)，再采用CCITT的CRC16校驗(yàn)方法做內(nèi)容校驗(yàn)，如果長(zhǎng)度校驗(yàn)已經(jīng)出錯(cuò)，則不再做內(nèi)容校驗(yàn)，提高了通信效率。文章給出了基于這種協(xié)議的串口通信應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，詳細(xì)描述了通信雙方遵循約定的通信協(xié)議的通信過(guò)程及如何保證通信過(guò)程中信號(hào)的正確性、完整性。筆者在VxWorks開(kāi)發(fā)過(guò)程中已將應(yīng)用程序用于實(shí)例，而且運(yùn)行可靠，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。