基于Vxworks實時操作系統(tǒng)的串口通信程序設(shè)計與實現(xiàn)
http://www.dcyhziu.cn 2007/6/5 源自:中華職工學(xué)習(xí)網(wǎng) 【字體：
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1前言
目前市場上比較著名的實時操作系統(tǒng)有：VxWorks、PSOS、Nucleus、QNX、VRTX、Windows CE、Palm 0S、Lynx0S等。 其中，VxWorks是一個具有微內(nèi)核、可裁剪的高性能強實時操作系統(tǒng)，在實時操作系統(tǒng)市場上處于領(lǐng)先地位。它以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通訊、彈道制導(dǎo)、飛機導(dǎo)航等。在美國的 F-16戰(zhàn)斗機、B-2 隱形轟炸機和愛國者導(dǎo)彈上，甚至火星探測器上都使用了VxWorks實時操作系統(tǒng)。在嵌入式實時操作系統(tǒng)中使用串口通信，不僅可擴展嵌入式設(shè)備通信能力，而且可擴大其應(yīng)用范圍。
2 VxWorks簡介
VxWorks是由wRS(wind River Systems，Inc．)公司開發(fā)的一套具有微內(nèi)核、高性能、可伸縮的實時操作系統(tǒng)，支持廣泛的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，并能夠根據(jù)用戶的需求進行組合，其開放式的結(jié)構(gòu)和對工業(yè)標準的支持使開發(fā)者只需做最少的工作即可設(shè)計出有效的適合于不同用戶要求的系統(tǒng)。除了性能出眾的操作系統(tǒng)之外，wRS公司還提供了優(yōu)秀的實時操作系統(tǒng)開發(fā)工具Tornado。Tornado由三個高度集成的部分組成：Tornado工具，一整套強有力的交*開發(fā)工具；VxWorks運行系統(tǒng)，是運行在目標機上的高性能、可裁剪的實時操作系統(tǒng)；連接目標機和宿主機的通信選項，加以太網(wǎng)、串行線路、在線仿真等。Tornado能夠支持Windows、Unix等流行的工作平臺和PowerPC、X86、ARM等幾乎所有的目標處理器，所提供的工具可用于所有目標機，并具有兩種調(diào)試模式(系統(tǒng)模式和任務(wù)模式)。除了基本的功能和開發(fā)工具外，Tornado還具有先進的系列網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，極大地擴展了Tornado的網(wǎng)絡(luò)特性，并增強了嵌人式微處理器的網(wǎng)絡(luò)特性。[1]
3 串口通信基本原理
串口在嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中是一類重要的數(shù)據(jù)通信接口，其本質(zhì)功能是作為CPU和串行設(shè)備間的編碼轉(zhuǎn)換器。當(dāng)數(shù)據(jù)從CPU經(jīng)過串行端口發(fā)送出去時，字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行的位；在接收數(shù)據(jù)時，串行的位被轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序要使用串口進行通信，必須在使用之前向操作系統(tǒng)提出資源申請要求(打開串口)，通信完成后必須釋放資源(關(guān)閉串口)。
串口通信的優(yōu)點是開發(fā)簡單，在傳輸數(shù)據(jù)量不大、要求速度不高而傳輸距離較大的通信場合得到廣泛應(yīng)用。
在VxWorks中，將I/O系統(tǒng)設(shè)計成為任何類型的設(shè)備提供一個簡單、統(tǒng)一、獨立于設(shè)備的接口，任何對于串口的操作都可以視為對一個文件的操作，而不必了解串口設(shè)備或程序驅(qū)動實現(xiàn)的細節(jié)。在串口通信軟件的設(shè)計中，當(dāng)串口初始化完成后，在使用之前利用open()打開相應(yīng)串口，然后進行配置。
VxWorks提供終端和偽終端設(shè)備驅(qū)動。Tty驅(qū)動針對實終端；pty針對仿真終端的程序。Tty設(shè)備有兩種操作模式：raw模式和line模式。在raw模式下，每個剛從設(shè)備輸入的字符對讀者都是有效的；在line模式下所有輸入字符被存儲，直到NEWLINE字符輸入。設(shè)備選項字使用帶FIOSETOPTIONS 功能的ioctl()程序來設(shè)置。[2]
配置完成后，依據(jù)串口打開時的讀寫標志，調(diào)用函數(shù)write()、read()對串口進行只讀操作、只寫操作或同時進行讀寫操作。
為提高數(shù)據(jù)接收的實時性，可采用中斷方式，利用VxWorks提供的select函數(shù)的事件觸發(fā)機制，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)來到的時候該任務(wù)會立刻自動響應(yīng)，提高系統(tǒng)的實時性。
4 環(huán)境配置
在本實時應(yīng)用系統(tǒng)中采用486機作為目標機，串口通信時目標機VxWorks系統(tǒng)啟動盤的制作步驟：
(1) 修改通用配置文件\\Tornado\target\config\pc486\config.h。在config.h文件中加入以下宏定義：
#define INCLUDE_WDB
#define INCLUDE_WDB_TTY_TEST
#undef WDB_COMM_TYPE
#define WDB_COMM_TYPE WDB_COMM_SERIAL /*定義通信方式為串口聯(lián)結(jié)*/
#define WDB_TTY_CHANNEL 1 /*通道號*/
#define WDB_TTY_BAUD 9600 /*串口速率，可設(shè)置至38400*/
#define WDB_TTY_DEV_NAME "tyCo/1"
#define CONSOLE_TTY 0
#define DEFAULT_BOOT_LINE "fd=0，0（0，0）hostname：/fd0/vxWorks \ h=主機
ip e=目標機ip u=主機上的登錄用戶名"
(2) 在Tornado集成環(huán)境中執(zhí)行菜單命令Project > Make PC486 > Common Targets > clean刪除以前生成的文件，執(zhí)行菜單命令Project > Make PC486 > Boot Rom Targets > bootrom_uncmp編譯鏈接生成bootrom_uncmp ；再選擇VxWorks Target,編譯生成vxworks；
(3) 拷貝\\Tornado\target\config\pc486\bootrom_uncmp至\\Tornado\host\bin下
(4) 重命名文件bootrom_uncmp為bootrom；
(5) 準備一張已格式化的空盤插入軟驅(qū)；
(6) 在目錄\\Tornado\host\bin下執(zhí)行命令 mkboot a: bootrom；
(7)拷貝\\Tornado\target\config\pc486\VxWorks至軟盤；
(8) 將系統(tǒng)制作盤插入目標機軟驅(qū)，加電啟動目標機即載入VxWorkst系統(tǒng)。[3]
5程序示例
5.1 在程序中加入下列頭文件
#include <vxWorks.h>
#include "strLib.h"
#include <string.h>
#include <sioLib.h>
#include <ioLib.h>
#include <stdio.h>
#include <ioctl.h>
#include <selectLib.h>
#include "types/vxTypesOld.h"
5.2 打開串口
int open_com1(void) //打開串口1函數(shù)
{ int sfd；//串口設(shè)備文件描述符
sfd =open(”／tyCo／0”，0_RDWR，0)；//打開串口并返回串口設(shè)備文件描述符
if(sfd ==ERROR) //如果不能打開串口1則打印出錯信息
printf("You can’t open port com1 !");
}
5.3 配置串口
int config_com1(void) //串口1配置函數(shù)
{ ioctl(sfd,FIOSETOPTIONS,OPT_LINE); //設(shè)置串口工作模式為行模式：LINE_MODE
ioctl(sfd,FIOBAUDRATE,9600); //設(shè)置串口波特率為9600bps
ioctl(sfd,FIOFLUSH,0); //清空輸入輸出緩沖
ioctl(sfd,SIO_HW_OPTS_SET,CS8|STOPB|PARENB|PARODD);
//設(shè)置 8 位數(shù)據(jù)位，2位停止位，帶校驗位，奇校驗
}
5.4 串口接收數(shù)據(jù)
int accept _com1(void) //從串口1接收數(shù)據(jù)函數(shù)
{ while(1)
{ char * accept _buf;
FD_ZERO(&fds_data);//位碼置零
FD_SET(sfd,&fds_data);//初始化位碼
width＝sfd +1;
//任務(wù)阻塞等待讀串口準備完畢；
if(select(width，&fds_data，NULL，NULL，NULL)==ERROR)
return(ERROR);
read(sfd, accept _buf,sizeof(accept _buf)); //從串口讀字符
printf("accept message is : %s \n\n", accept _buf); //輸出接收到的信息
}
}
5.5 串口發(fā)送數(shù)據(jù)
int send_com1(void) //向串口1發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)
{ char *send_buf =" Data had accept!"; //待發(fā)送數(shù)據(jù)
//任務(wù)阻塞等待寫串口準備完畢
if(select(width，NULL，＆data_fds，NULL,NULL==ERROR)
return(ERROR) ;
if(FD_ISSET(sfd，&fds_data)) //檢查串口準備好就向串口寫數(shù)據(jù)
write(sfd，send_buf，sizeof(send_buf)) ;
}
5.6 關(guān)閉串口
close(sfd)；
6結(jié)束語
RS-232串口通信雖速率不高，但RS-422標準串行口通信則采用了雙線傳輸，大大增加了抗共模干擾的能力，最大數(shù)據(jù)傳輸速度可以達到10Mb/s，這對于遠程數(shù)據(jù)交換具有極大的優(yōu)勢。
本文描述了在實時操作系統(tǒng)VxWorks中利用串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的方法，并給出了示例程序，目前已經(jīng)在我們開發(fā)的風(fēng)洞測控系統(tǒng)中獲得了應(yīng)用。該方法可將其串口通信可適用于工業(yè)控制等多方面，具有廣泛的適應(yīng)性。在嵌入式實時操作系統(tǒng)中使用串口通信，不僅可擴展嵌入式設(shè)備通信能力，而且可擴大其的應(yīng)用范圍。
參考文獻：
1孔祥營，柏桂枝．嵌入式實時操作系統(tǒng)vxworks及其開發(fā)環(huán)境Tornodo[M]．北京:中國電力出版社，2002.01
2 陳智育，溫彥軍，陳琪編著VxWorks程序開發(fā)實踐. 北京:人民郵電出版社，2004.05
3李方敏編著VxWorks高級程序設(shè)計. 北京:清華大學(xué)出版社，2004.05
目前市場上比較著名的實時操作系統(tǒng)有：VxWorks、PSOS、Nucleus、QNX、VRTX、Windows CE、Palm 0S、Lynx0S等。 其中，VxWorks是一個具有微內(nèi)核、可裁剪的高性能強實時操作系統(tǒng)，在實時操作系統(tǒng)市場上處于領(lǐng)先地位。它以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通訊、彈道制導(dǎo)、飛機導(dǎo)航等。在美國的 F-16戰(zhàn)斗機、B-2 隱形轟炸機和愛國者導(dǎo)彈上，甚至火星探測器上都使用了VxWorks實時操作系統(tǒng)。在嵌入式實時操作系統(tǒng)中使用串口通信，不僅可擴展嵌入式設(shè)備通信能力，而且可擴大其應(yīng)用范圍。
2 VxWorks簡介
VxWorks是由wRS(wind River Systems，Inc．)公司開發(fā)的一套具有微內(nèi)核、高性能、可伸縮的實時操作系統(tǒng)，支持廣泛的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，并能夠根據(jù)用戶的需求進行組合，其開放式的結(jié)構(gòu)和對工業(yè)標準的支持使開發(fā)者只需做最少的工作即可設(shè)計出有效的適合于不同用戶要求的系統(tǒng)。除了性能出眾的操作系統(tǒng)之外，wRS公司還提供了優(yōu)秀的實時操作系統(tǒng)開發(fā)工具Tornado。Tornado由三個高度集成的部分組成：Tornado工具，一整套強有力的交*開發(fā)工具；VxWorks運行系統(tǒng)，是運行在目標機上的高性能、可裁剪的實時操作系統(tǒng)；連接目標機和宿主機的通信選項，加以太網(wǎng)、串行線路、在線仿真等。Tornado能夠支持Windows、Unix等流行的工作平臺和PowerPC、X86、ARM等幾乎所有的目標處理器，所提供的工具可用于所有目標機，并具有兩種調(diào)試模式(系統(tǒng)模式和任務(wù)模式)。除了基本的功能和開發(fā)工具外，Tornado還具有先進的系列網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，極大地擴展了Tornado的網(wǎng)絡(luò)特性，并增強了嵌人式微處理器的網(wǎng)絡(luò)特性。[1]
3 串口通信基本原理
串口在嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中是一類重要的數(shù)據(jù)通信接口，其本質(zhì)功能是作為CPU和串行設(shè)備間的編碼轉(zhuǎn)換器。當(dāng)數(shù)據(jù)從CPU經(jīng)過串行端口發(fā)送出去時，字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行的位；在接收數(shù)據(jù)時，串行的位被轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序要使用串口進行通信，必須在使用之前向操作系統(tǒng)提出資源申請要求(打開串口)，通信完成后必須釋放資源(關(guān)閉串口)。
串口通信的優(yōu)點是開發(fā)簡單，在傳輸數(shù)據(jù)量不大、要求速度不高而傳輸距離較大的通信場合得到廣泛應(yīng)用。
在VxWorks中，將I/O系統(tǒng)設(shè)計成為任何類型的設(shè)備提供一個簡單、統(tǒng)一、獨立于設(shè)備的接口，任何對于串口的操作都可以視為對一個文件的操作，而不必了解串口設(shè)備或程序驅(qū)動實現(xiàn)的細節(jié)。在串口通信軟件的設(shè)計中，當(dāng)串口初始化完成后，在使用之前利用open()打開相應(yīng)串口，然后進行配置。
VxWorks提供終端和偽終端設(shè)備驅(qū)動。Tty驅(qū)動針對實終端；pty針對仿真終端的程序。Tty設(shè)備有兩種操作模式：raw模式和line模式。在raw模式下，每個剛從設(shè)備輸入的字符對讀者都是有效的；在line模式下所有輸入字符被存儲，直到NEWLINE字符輸入。設(shè)備選項字使用帶FIOSETOPTIONS 功能的ioctl()程序來設(shè)置。[2]
配置完成后，依據(jù)串口打開時的讀寫標志，調(diào)用函數(shù)write()、read()對串口進行只讀操作、只寫操作或同時進行讀寫操作。
為提高數(shù)據(jù)接收的實時性，可采用中斷方式，利用VxWorks提供的select函數(shù)的事件觸發(fā)機制，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)來到的時候該任務(wù)會立刻自動響應(yīng)，提高系統(tǒng)的實時性。
4 環(huán)境配置
在本實時應(yīng)用系統(tǒng)中采用486機作為目標機，串口通信時目標機VxWorks系統(tǒng)啟動盤的制作步驟：
(1) 修改通用配置文件\\Tornado\target\config\pc486\config.h。在config.h文件中加入以下宏定義：
#define INCLUDE_WDB
#define INCLUDE_WDB_TTY_TEST
#undef WDB_COMM_TYPE
#define WDB_COMM_TYPE WDB_COMM_SERIAL /*定義通信方式為串口聯(lián)結(jié)*/
#define WDB_TTY_CHANNEL 1 /*通道號*/
#define WDB_TTY_BAUD 9600 /*串口速率，可設(shè)置至38400*/
#define WDB_TTY_DEV_NAME "tyCo/1"
#define CONSOLE_TTY 0
#define DEFAULT_BOOT_LINE "fd=0，0（0，0）hostname：/fd0/vxWorks \ h=主機
ip e=目標機ip u=主機上的登錄用戶名"
(2) 在Tornado集成環(huán)境中執(zhí)行菜單命令Project > Make PC486 > Common Targets > clean刪除以前生成的文件，執(zhí)行菜單命令Project > Make PC486 > Boot Rom Targets > bootrom_uncmp編譯鏈接生成bootrom_uncmp ；再選擇VxWorks Target,編譯生成vxworks；
(3) 拷貝\\Tornado\target\config\pc486\bootrom_uncmp至\\Tornado\host\bin下
(4) 重命名文件bootrom_uncmp為bootrom；
(5) 準備一張已格式化的空盤插入軟驅(qū)；
(6) 在目錄\\Tornado\host\bin下執(zhí)行命令 mkboot a: bootrom；
(7)拷貝\\Tornado\target\config\pc486\VxWorks至軟盤；
(8) 將系統(tǒng)制作盤插入目標機軟驅(qū)，加電啟動目標機即載入VxWorkst系統(tǒng)。[3]
5程序示例
5.1 在程序中加入下列頭文件
#include <vxWorks.h>
#include "strLib.h"
#include <string.h>
#include <sioLib.h>
#include <ioLib.h>
#include <stdio.h>
#include <ioctl.h>
#include <selectLib.h>
#include "types/vxTypesOld.h"
5.2 打開串口
int open_com1(void) //打開串口1函數(shù)
{ int sfd；//串口設(shè)備文件描述符
sfd =open(”／tyCo／0”，0_RDWR，0)；//打開串口并返回串口設(shè)備文件描述符
if(sfd ==ERROR) //如果不能打開串口1則打印出錯信息
printf("You can’t open port com1 !");
}
5.3 配置串口
int config_com1(void) //串口1配置函數(shù)
{ ioctl(sfd,FIOSETOPTIONS,OPT_LINE); //設(shè)置串口工作模式為行模式：LINE_MODE
ioctl(sfd,FIOBAUDRATE,9600); //設(shè)置串口波特率為9600bps
ioctl(sfd,FIOFLUSH,0); //清空輸入輸出緩沖
ioctl(sfd,SIO_HW_OPTS_SET,CS8|STOPB|PARENB|PARODD);
//設(shè)置 8 位數(shù)據(jù)位，2位停止位，帶校驗位，奇校驗
}
5.4 串口接收數(shù)據(jù)
int accept _com1(void) //從串口1接收數(shù)據(jù)函數(shù)
{ while(1)
{ char * accept _buf;
FD_ZERO(&fds_data);//位碼置零
FD_SET(sfd,&fds_data);//初始化位碼
width＝sfd +1;
//任務(wù)阻塞等待讀串口準備完畢；
if(select(width，&fds_data，NULL，NULL，NULL)==ERROR)
return(ERROR);
read(sfd, accept _buf,sizeof(accept _buf)); //從串口讀字符
printf("accept message is : %s \n\n", accept _buf); //輸出接收到的信息
}
}
5.5 串口發(fā)送數(shù)據(jù)
int send_com1(void) //向串口1發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)
{ char *send_buf =" Data had accept!"; //待發(fā)送數(shù)據(jù)
//任務(wù)阻塞等待寫串口準備完畢
if(select(width，NULL，＆data_fds，NULL,NULL==ERROR)
return(ERROR) ;
if(FD_ISSET(sfd，&fds_data)) //檢查串口準備好就向串口寫數(shù)據(jù)
write(sfd，send_buf，sizeof(send_buf)) ;
}
5.6 關(guān)閉串口
close(sfd)；
6結(jié)束語
RS-232串口通信雖速率不高，但RS-422標準串行口通信則采用了雙線傳輸，大大增加了抗共模干擾的能力，最大數(shù)據(jù)傳輸速度可以達到10Mb/s，這對于遠程數(shù)據(jù)交換具有極大的優(yōu)勢。
本文描述了在實時操作系統(tǒng)VxWorks中利用串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的方法，并給出了示例程序，目前已經(jīng)在我們開發(fā)的風(fēng)洞測控系統(tǒng)中獲得了應(yīng)用。該方法可將其串口通信可適用于工業(yè)控制等多方面，具有廣泛的適應(yīng)性。在嵌入式實時操作系統(tǒng)中使用串口通信，不僅可擴展嵌入式設(shè)備通信能力，而且可擴大其的應(yīng)用范圍。
參考文獻：
1孔祥營，柏桂枝．嵌入式實時操作系統(tǒng)vxworks及其開發(fā)環(huán)境Tornodo[M]．北京:中國電力出版社，2002.01
2 陳智育，溫彥軍，陳琪編著VxWorks程序開發(fā)實踐. 北京:人民郵電出版社，2004.05
3李方敏編著VxWorks高級程序設(shè)計. 北京:清華大學(xué)出版社，2004.05
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