摘 要: 介紹了ARM9和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μＣ/OS-II" title="OS-II">OS-II在大射電望遠(yuǎn)鏡5米模型上懸索控制中的應(yīng)用。介紹了基于ARM9處理器(Atmel公司的AT91RM9200)的觸摸屏、LCD等電路的設(shè)計(jì)。分析了用AT91RM9200產(chǎn)生6路獨(dú)立的PWM信號的方法。給出了在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μＣ/OS-II下的多任務(wù)應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)實(shí)例,并成功實(shí)現(xiàn)了六軸聯(lián)動。
關(guān)鍵詞: ARM9 μＣ/OS(MicroC/OS) RTOS 六軸聯(lián)動
“大射電望遠(yuǎn)鏡FAST(Five hundred meter Aperture Spherical Telescope)預(yù)研究”是中國科學(xué)院知識創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案[1]。通過六根懸索驅(qū)動饋源艙完成饋源的大范圍跟蹤,保證饋源艙的定位精度在50cm以內(nèi)。為驗(yàn)證方案的可行性,實(shí)地已建造了50m縮比實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀，F(xiàn)由于實(shí)際需要,還建立了5m縮比實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?以下簡稱FAST 5m)。5m縮比模型的饋源艙一級粗調(diào)由自動調(diào)整和手動調(diào)整組成,自動調(diào)整由工業(yè)控制" title="工業(yè)控制">工業(yè)控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，手動調(diào)整主要目的是把饋源艙調(diào)到指定位置，為自動調(diào)整作準(zhǔn)備。手動調(diào)整分為點(diǎn)動調(diào)整和精確調(diào)整兩部分。為了調(diào)整方便,需要LCD和觸摸屏,并要求較高的實(shí)時(shí)性" title="實(shí)時(shí)性">實(shí)時(shí)性,加上復(fù)雜的控制程序,這就需要更高的CPU處理速度和更大的系統(tǒng)內(nèi)存,因此選用32位ARM處理器并且使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。本文詳細(xì)討論AT91RM9200和μＣ/OS-II在5m縮比模型的一級粗調(diào)中手動調(diào)整的運(yùn)用。
1 系統(tǒng)硬件的組成
現(xiàn)FAST 5m試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭挥靡粋€(gè)控制柜,控制六臺交流伺服電機(jī)調(diào)整六根索來控制饋源艙的位置，類似于六軸聯(lián)動。需要六路獨(dú)立的脈寬調(diào)制信號(PWM)，整個(gè)硬件框圖如圖1。
1.1 AT91RM9200及其外圍電路
AT91RM9200是Atmel公司推出的一款用于工業(yè)控制的ARM9處理器,它基于ARM920T內(nèi)核, 工作在180MHz頻率下，運(yùn)算速度可高達(dá)200MIPS[2]。AT91RM9200集成了豐富的系統(tǒng)外圍和應(yīng)用外圍及標(biāo)準(zhǔn)的接口，集成了高速片上SRAM和低延遲的外部總線接口(EBI)。高級中斷控制器(AIC)、外圍數(shù)據(jù)控制器(PDC)、電源管理控制器(PMC)集成了USB2.0接口、以太網(wǎng)10/100 BaseT MAC控制器,這些接口極大地?cái)U(kuò)展了外部器件的種類[3]。
AT91RM9200 內(nèi)部只有16KB的SRAM,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足應(yīng)用程序的要求。為了能運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)和運(yùn)用程序的要求,需要擴(kuò)展外部SDRAM及Flash。
1.2 LCD和觸摸屏接口電路
在FAST 5m模型手動調(diào)整中,采用了LG推出的LB06V2顯示屏TFT-LCD和觸摸屏,其面板尺寸6.4英寸，分辨率480×640[4]。LCD觸摸屏的接口電路如圖2所示。LCD控制芯片" title="控制芯片">控制芯片采用Epson公司的S1D13506。該芯片內(nèi)部不帶顯存,需要擴(kuò)展FPM/FDO-DRAM?？紤]到整個(gè)界面操作在圖形模式下,需要較大的顯存,采用OKI 公司的MSM5118155F的16M bit動態(tài)存儲器(EDO RAM)。S1D13506驅(qū)動LB06V2顯示屏需要的60MHz的BUCLK時(shí)鐘由AT91RM9200提供，25MHz的CLK1和12.5MHz的CLK2由ICS1523提供，AT91RM9200通過I2C總線控制ICS1523輸出的所需CLK1和CLK2的頻率，以適應(yīng)不同規(guī)格的LCD或VGA需求。由于S1D13506訪問RAM需要等待70ns,這造成LCD顯示速度比較慢。本系統(tǒng)并不需要頻繁切換圖形界面，主要考慮到AT91RM9200是一款很適合工業(yè)控制用的高速ARM處理器。
AT91RM9200集成了SPI控制器，可與觸摸屏控制芯片(ADS7846)直接相連接。這使電路設(shè)計(jì)簡單，還可以高速地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)中SPI的CLK工作在14kHz，完全能保證ADS7846轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸?shù)紸T91RM9200。
1.3 電機(jī)控制接口電路
AT91RM9200 有六個(gè)相同定時(shí)/計(jì)數(shù)器(TC), 可用這六個(gè)TC產(chǎn)生12路PWM信號,雖然一個(gè)TC可產(chǎn)生兩路PWM信號,但是這兩路PWM頻率相同,只是脈沖寬度不同。圖3是其中一個(gè)TC的部分原理圖。本系統(tǒng)中TC控制交流伺服電機(jī)頻率(控制電機(jī)的速度)，8254控制脈沖的個(gè)數(shù)(控制電機(jī)的角位移)。
其基本工作原理：把TC配置成產(chǎn)生波形狀態(tài),選擇AT91RM9200內(nèi)部時(shí)鐘或外部時(shí)鐘作為16位TC的時(shí)鐘源，啟動計(jì)數(shù)器(CLKSTA), TC從零開始計(jì)數(shù)。
當(dāng)TC中的值與RA中的值相等，輸出控制器可使TIOA輸出高電平；當(dāng)TC中的值與RC中的值相等, 輸出控制器可使TIOA輸出低電平,同時(shí)復(fù)位TC,使TC重新計(jì)數(shù)。這樣可產(chǎn)生方波信號。RC的值控制TIOA輸出脈沖的頻率，RA和RC可控制PWM的占控比。當(dāng)TC的值達(dá)到RA、RB、RC的值時(shí)還可產(chǎn)生中斷,也可把這些中斷屏蔽掉。這樣產(chǎn)生的PWM頻率可從幾赫茲到幾兆赫茲。TIOB產(chǎn)生PWM信號的原理與TIOA完全一樣。
本系統(tǒng)中把TIOA配置為脈沖輸出口,TIOB為外部事件觸發(fā)輸入口(即伺服控制卡中的脈沖計(jì)數(shù)卡產(chǎn)生的中斷), 當(dāng)伺服控制卡中的脈沖計(jì)數(shù)器(8254)計(jì)數(shù)到設(shè)定值時(shí)產(chǎn)生中斷，由TIOB通過RS觸發(fā)器停止TC計(jì)數(shù)。這樣可實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的速度和位置控制。
伺服控制卡的脈沖計(jì)數(shù)器的核心器件是兩片8254[5]，可進(jìn)行六路獨(dú)立的脈沖計(jì)數(shù),如圖4所示。
2 軟件開發(fā)
由于目前大部分基于ARM9的嵌入式系統(tǒng)一般用Linux，用于實(shí)時(shí)性要求不高的的設(shè)備。采用μＣ/OS需要寫ARM9啟動代碼，初始化SDAM、FLASH、USRT、SPI、觸摸屏控制芯片、LCD控制芯片等。寫這些底層驅(qū)動代碼時(shí)，在Linux網(wǎng)站開放的源代碼很值得借鑒和參考。
2.1 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μＣ/OS-II
目前商用的嵌入式操作系統(tǒng)產(chǎn)品很多，十分成熟，并且提供了強(qiáng)大的開發(fā)和調(diào)試工具，但開發(fā)成本昂貴且大部分不提供源代碼,并不適合小型系統(tǒng)的開發(fā)。μＣ/OS-II面向中小型嵌入式系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)：公開源代碼、可移植性、可固化、可裁減、支持多任務(wù)、具有可確定性等[4]。本系統(tǒng)不需要網(wǎng)絡(luò)和文件系統(tǒng)，μＣ/OS-II是一個(gè)很適合本系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)。
μＣ/OS-II的移植過程比較簡單。它在ARM7處理器上的移植相當(dāng)成熟。在AT91RM9200上的移植與ARM7處理器上的移植類似, 由于篇幅的限制,本文不具體介紹μＣ/OS-II在AT91RM9200上的移植過程。μＣ/OS-II要求用戶提供一個(gè)周期性的10～100次/秒時(shí)鐘源,實(shí)現(xiàn)時(shí)間的延時(shí)和超時(shí)功能[4]。AT91RM9200內(nèi)有一個(gè)Period Interal Timer(PIT),它是一個(gè)十六位的減法計(jì)數(shù)器， 使用它很容易給μＣ/OS-II提供10～100次/秒時(shí)鐘節(jié)拍。
PIT計(jì)數(shù)器產(chǎn)生時(shí)鐘節(jié)拍為100次/秒的程序代碼如下：
void uCOS_TickInit()
{
volatile int status;
AT91F_AIC_ConfigureIt(AT91C_BASE_AIC, AT91C_ID_SYS,1,0, OS_CPU_IRQ_ISR )； // 配置 PIT 中斷
AT91F_AIC_EnableIt(AT91C_BASE_AIC,AT91C_ID_SYS); // PIT產(chǎn)生中斷使能
AT91C_BASE_ST-＞ST_IDR=AT91C_ST_PITS;
status = AT91C_BASE_ST-＞ST_SR;
AT91C_BASE_ST-＞ST_PIMR = 327;// 為μＣ/OS產(chǎn)生100Hz的系統(tǒng)時(shí)鐘
AT91C_BASE_ST-＞ST_IER = AT91C_ST_PITS;
}
2.2 應(yīng)用程序
基于μＣ／ＯＳ－ＩＩ的應(yīng)用系統(tǒng)工作時(shí)，首先初始化ＣＰＵ；接著進(jìn)行操作系統(tǒng)初始化，主要完成任務(wù)控制塊(ＴＣＢ)初始化、ＴＣＢ優(yōu)先級表初始化、空任務(wù)的創(chuàng)建等；然后開始創(chuàng)建新任務(wù)；最后調(diào)用OSStart()函數(shù)啟動多任務(wù)調(diào)度。應(yīng)用程序的編寫主要考慮任務(wù)如何劃分、任務(wù)的優(yōu)先級、任務(wù)之間的通訊。
本系統(tǒng)靠觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口,故把檢測觸摸屏狀態(tài)設(shè)為優(yōu)先級最高，每10ms檢測一次觸摸屏狀態(tài)。控制界面采用類似Windows的控件編程方式,把每一個(gè)控件看作一個(gè)任務(wù)來處理, 以手動精調(diào)控制界面(見圖5)為例，上面有10個(gè)控件：控制電機(jī)位置的滾動條控件(6個(gè))、控制饋源艙運(yùn)動速度的滾動條控件(1個(gè))、6臺電機(jī)位置復(fù)位按鈕控件(1個(gè))、切換到自動控制和手動控制按鈕控件(各一個(gè))、電機(jī)啟動控件(1個(gè))，加上前面的觸摸屏檢測任務(wù),在此需建11個(gè)任務(wù)。它們之間靠消息通訊,觸摸屏任務(wù)主要完成給其它11個(gè)任務(wù)發(fā)消息。每當(dāng)檢測到ADS7846產(chǎn)生PENIRQ,通過SPI接口向ADS7846發(fā)送A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換和讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果指令，把結(jié)果轉(zhuǎn)換到當(dāng)前觸摸屏按下點(diǎn)的坐標(biāo)值,再把這個(gè)坐標(biāo)值以消息的形式發(fā)出去，然后調(diào)用OSTimeDly(1)函數(shù)延時(shí)10ms。其余10個(gè)任務(wù)調(diào)用OSQPend()等待消息(坐標(biāo)值),如坐標(biāo)值在此控件內(nèi)，觸發(fā)相應(yīng)的事件。其程序部分代碼如下：
viod main()
{
初始化硬件 ;
OSInit();
OSTaskCreate(TouchSreen,(void*)0,(OS_STK*)&TouchStk [500],4); //創(chuàng)建觸摸屏任務(wù)
…………
OSTaskCreate(MotorRun,(void*)0,(OS_STK*)&RunTaskStk [8000],6); // 創(chuàng)建電機(jī)RUN任務(wù)
OSStart(); // 啟動多任務(wù)
}
void TouchSreen(void *pdata){
…………
OS_ENTER_CRITICAL();
μCOS_TickInit()； //為μC/OS-II提供100Hz的系統(tǒng)時(shí)鐘
OS_EXIT_CRITICAL()；
Ads7846_Init(); //初始化觸摸屏控制芯片
while(1){
if(ADS7846_Int_Flag==1){ //是否觸摸屏按下
OSTimeDly(1); //延時(shí)10ms
發(fā)送A/D開始轉(zhuǎn)換指令;
讀A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果;
…………
發(fā)送消息(即觸摸屏按下的坐標(biāo)值)；
ADS7846_Int_Flag=0;
}
OSTimeDly(1);
}
要實(shí)現(xiàn)六軸聯(lián)動,就必須在程序中加入控制算法。由于懸索與饋源艙控制系統(tǒng)具有精確模型難以得到、 變結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)且控制精度要求較高,可采用的算法能用于動態(tài)未知的系統(tǒng),并能實(shí)時(shí)適應(yīng)受控對象的變化,采用非參數(shù)模型自適應(yīng)控制算法[6]。把這種算法加在RUN按鈕事件下。
本程序中還有許多中斷服務(wù)程序,都放在OS_CPU_C.C中。例如,為了使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)連續(xù)以保證懸索饋源艙系統(tǒng)做平穩(wěn)的掃描運(yùn)動,要求當(dāng)前伺服指令執(zhí)行后需要更新脈沖的頻率(RC的值)和脈沖計(jì)數(shù)的個(gè)數(shù)(8254)在幾毫秒內(nèi)完成,同時(shí)又要有很好的實(shí)時(shí)性,必須采用中斷服務(wù)方式實(shí)現(xiàn)。
3 測試
作者編寫了底層硬件的驅(qū)動，把μＣ/OS-II成功地移植到AT91RM9200上,并編寫了基于觸摸屏圖形控制界面。本系統(tǒng)中有三個(gè)可互相切換觸摸屏圖形控制界面,其中手動精調(diào)控制界面見圖5。
本系統(tǒng)輸出的脈沖可從7Hz到幾MHz, AT91RM9200中TIOA(見圖3)最高可輸出15MHz的脈沖,但由于8254計(jì)數(shù)器的最高計(jì)數(shù)頻率為10MHz，制約了整個(gè)系統(tǒng)的脈沖輸出頻率,這完全可以滿足一般的伺服驅(qū)動器的要求。選擇TC計(jì)數(shù)器(見圖3)的CLK為TIMER_CLOCK2(7.5MHz),RA=1,RC=3,這時(shí)輸出的頻率應(yīng)為CLK/RC=7.5/3=2.5MHz，占空比為(RC-RA)/RA=2，輸出電壓的平均值為3.3×2/3=2.2V，用Fluke 196C示波器測得實(shí)際輸出波形與理論完全一致，如圖6。
本系統(tǒng)在大射電望遠(yuǎn)鏡5米模型上通過調(diào)試,運(yùn)行良好。目前ARM處理器絕大部分都用于手持設(shè)備，對實(shí)時(shí)性要求不高,但工業(yè)控制中要求實(shí)時(shí)性高。本系統(tǒng)也只用到AT91RM9200處理器的部分資源,從某種角度上講是有點(diǎn)浪費(fèi)，但作者把ARM9處理器和μＣ／ＯＳ－ＩＩ用在工業(yè)控制上是一次嘗試，從控制的魯棒性都證明了AR91RM9200和μＣ／ＯＳ－ＩＩ在控制電機(jī)多軸聯(lián)動的效果是令人滿意的。如充分利用AT91RM9200集成的USB2.0接口、以太網(wǎng)10/100BaseT MAC控制器，完全可以滿足復(fù)雜的工業(yè)控制。隨著嵌入式系統(tǒng)和ARM處理器的發(fā)展，ARM處理器在工業(yè)控制中會越來越多。
參考文獻(xiàn)
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