系统可靠性分析 - Linux和S3C2410的PROFIBUS-DP主站平台设计

4 系统可靠性分析

　　软件的稳定性和抗干扰性是衡量系统可靠性的重要指标。本主站在软件实现中所采取的保证可靠性措施主要有防错设计、纠错设计、故障恢复设计等。

　　防错设计：主要体现在系统程序自检技术及数据封装方面。系统软件设计过程中采用分层结构，与硬件操作相关的层的通信采用单独通信模块完成，这些层次之间通过层间接口进行通信，层间接口在设计过程中对输入的参数全部进行有效性检查(指针有效性、数值有效性、逻辑有效性检查等)。在数据封装方面，对与上位机通信和DP网络通信两个子系统分别进行编程，分别提供各个子系统的私有数据，私有数据供模块内部调用，并提供模块间访问接口实现相关数据的共享，这样便可以防止出现模块间数据重名以及编程过程中误修改产生的问题。

　　纠错设计：网关通信过程中不管是和上位机的通信还是DP网络的通信，采用的都是半双工的RS485通信。相关通信能否顺利进行，取决于数据的正确性和时间两个方面。无论是与上位机通信，还是DP网络的通信，每次对于传输进来的数据都有专门的数据校验模块进行校验，这就避免了在数据有误的情况下仍然进行通信。同时，针对接收超时等问题，也有专门的模块进行处理。

　　故障恢复设计：采用看门狗技术。系统软件在运行过程中开启硬件看门狗，软件必须在一定的时间内“喂狗”，否则就会导致看门狗对系统的复位。这样防止了因程序跑飞而导致无法恢复的错误。

　　5 系统实时性

　　PROFIBUS—DP现场总线作为应用在设备的公共总线，必须解决各节点的网络使用权竞争问题，同时保证通信的实时性。PORFIBUS—DP系统的实时响应时间依赖于max TSDR、采用的传输速率、要交换的数据长度和数量、min_slave_Interval(某一个从站前后2次被主站轮询的最小间隔时间)4个参数。系统的测控周期(又称访问周期)是指控制系统周期性访问网络上同一个节点的时间间隔，是衡量PORFIBUS—DP实时性能的一个重要指标。

　　一次典型的主从数据交换过程如图4所示。

　　其中，Tbit表示在总线上传输1位所耗用的时间，是其他时间参数的计量单位。由于PROFIBUS—DP采用UART编码方式，每个字符由11位组成，所以传输一个字符需要11Tbit。

　　TID1定义了一个发送节点在获得相应信号后的再次发送下一个信息帧所需的最短时间。

　　从图4可知，一个报文循环由主动帧(请求或发送/请求帧)和回答帧组成。循环时间由帧传输时间、传输延迟时间和站延迟时间组成。

　　其中：TReq=a×11Tbit，a为请求/发送帧中的字符个数;TRes=b×11Tbit，b为应答帧中的字符个数;TAsk=1×11Tbit，短应答帧;TS-DR为站延迟时间，指接收方从接到请求到产生响应数据的时间间隔;TTD为传输间隔时间，指一个帧在传输时在发送器和接收器之间的传输介质上经过的最大时间。

　　本硬件平台中PROFIBUS—DP总线传输速率设置为9.6 kbps，由于是近距离传输，所以TTD=OTbit，Tsdr=11Tbit，TID1=37Tbit，和主站通信的从站最多有244个数据(根据：PROFIBUS—DP协议规定)输入/输出，请求帧中有11个字符数据，则报文循环时间最长为：

　　可见，在传输速率为9.6 kbps的情况下，一次报文循环的最长时间为297.3ms;从上面这些参数中可以发现，只有TID1能够由主站平台的性能决定，普通的MPU调度所需时间为24.66μs。而在移植Linux操作系统后，由于采用的2.6版本的Linux操作系统使用了新的0(1)的调度算法，大大提高了进程调度能力，同时对于多从站的通信的任务能进行很好的管理和调度，大大增强了主站平台的功能。

　　6 主站平台性能分析及调试

　　PROFIBUS—DP主站的主从通信性能主要体现在主从通信速度的快慢和支持的从站数目上。由于本实验室的从站数目有限，搭建的测试平台目前只有3个PROFIBUS—DP从站(ET200S、MM420和自主设计的从站)，如图5所示。

　　本次测试的传输速率选定为9.6 kbps，同时对3个从站进行组态，分别测试移植Linux操作系统前主站从接收到数据到有数据发出之间的时间ttop，到移植Linux操作系统后主站的响应时间tend;通过实验，从示波器上的测试的图形可以看出ttop的宽度是大于tend的宽度的，具体测量后可知无操作系统下ttop≈4 015.4μs，Linux操作系统tend≈70μs。可见移植Linux操作系统后能使主站的响应时间大大缩短，提高对从站的管理效率。