摘 要: 介紹了ARM9和嵌入式實時操作系統(tǒng)μＣ/OS-II" title="OS-II">OS-II在大射電望遠鏡5米模型上懸索控制中的應用。介紹了基于ARM9處理器(Atmel公司的AT91RM9200)的觸摸屏、LCD等電路的設計。分析了用AT91RM9200產(chǎn)生6路獨立的PWM信號的方法。給出了在嵌入式實時操作系統(tǒng)μＣ/OS-II下的多任務應用軟件的設計實例,并成功實現(xiàn)了六軸聯(lián)動。
關鍵詞: ARM9 μＣ/OS(MicroC/OS) RTOS 六軸聯(lián)動
“大射電望遠鏡FAST(Five hundred meter Aperture Spherical Telescope)預研究”是中國科學院知識創(chuàng)新設計方案[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)。為驗證方案的可行性,實地已建造了50m縮比實驗模型?，F(xiàn)由于實際需要,還建立了5m縮比實驗模型(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)控制計算機實現(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)整作準備。手動調(diào)整分為點動調(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,并要求較高的實時性" title="實時性">實時性,加上復雜的控制程序,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時操作系統(tǒng)。本文詳細討論AT91RM9200和μＣ/OS-II在5m縮比模型的一級粗調(diào)中手動調(diào)整的運用。
1 系統(tǒng)硬件的組成
現(xiàn)FAST 5m試驗模型只用一個控制柜,控制六臺交流伺服電機調(diào)整六根索來控制饋源艙的位置，類似于六軸聯(lián)動。需要六路獨立的脈寬調(diào)制信號(PWM)，整個硬件框圖如圖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，運算速度可高達200MIPS[2]。AT91RM9200集成了豐富的系統(tǒng)外圍和應用外圍及標準的接口，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,這些接口極大地擴展了外部器件的種類[3]。
AT91RM9200 內(nèi)部只有16KB的SRAM,遠遠不能滿足應用程序的要求。為了能運行嵌入式操作系統(tǒng)和運用程序的要求,需要擴展外部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,需要擴展FPM/FDO-DRAM。考慮到整個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。這使電路設計簡單，還可以高速地進行數(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)準確傳輸?shù)紸T91RM9200。
1.3 電機控制接口電路
AT91RM9200 有六個相同定時/計數(shù)器(TC), 可用這六個TC產(chǎn)生12路PWM信號,雖然一個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TC的部分原理圖。本系統(tǒng)中TC控制交流伺服電機頻率(控制電機的速度)，8254控制脈沖的個數(shù)(控制電機的角位移)。
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)部時鐘或外部時鐘作為16位TC的時鐘源，啟動計數(shù)器(CLKSTA), TC從零開始計數(shù)。
當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,同時復位TC,使TC重新計數(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TC的值達到RA、RB、RC的值時還可產(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數(shù)卡產(chǎn)生的中斷), 當伺服控制卡中的脈沖計數(shù)器(8254)計數(shù)到設定值時產(chǎn)生中斷，由TIOB通過RS觸發(fā)器停止TC計數(shù)。這樣可實現(xiàn)伺服電機的速度和位置控制。
伺服控制卡的脈沖計數(shù)器的核心器件是兩片8254[5]，可進行六路獨立的脈沖計數(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，用于實時性要求不高的的設備。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，在Linux網(wǎng)站開放的源代碼很值得借鑒和參考。
2.1 嵌入式實時操作系統(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：公開源代碼、可移植性、可固化、可裁減、支持多任務、具有可確定性等[4]。本系統(tǒng)不需要網(wǎng)絡和文件系統(tǒng)，μＣ/OS-II是一個很適合本系統(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要求用戶提供一個周期性的10～100次/秒時鐘源,實現(xiàn)時間的延時和超時功能[4]。AT91RM9200內(nèi)有一個Period Interal Timer(PIT),它是一個十六位的減法計數(shù)器， 使用它很容易給μＣ/OS-II提供10～100次/秒時鐘節(jié)拍。
PIT計數(shù)器產(chǎn)生時鐘節(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)時鐘
AT91C_BASE_ST-＞ST_IER = AT91C_ST_PITS;
}
2.2 應用程序
基于μＣ／ＯＳ－ＩＩ的應用系統(tǒng)工作時，首先初始化ＣＰＵ；接著進行操作系統(tǒng)初始化，主要完成任務控制塊(ＴＣＢ)初始化、ＴＣＢ優(yōu)先級表初始化、空任務的創(chuàng)建等；然后開始創(chuàng)建新任務；最后調(diào)用OSStart()函數(shù)啟動多任務調(diào)度。應用程序的編寫主要考慮任務如何劃分、任務的優(yōu)先級、任務之間的通訊。
本系統(tǒng)靠觸摸屏實現(xiàn)人機接口,故把檢測觸摸屏狀態(tài)設為優(yōu)先級最高，每10ms檢測一次觸摸屏狀態(tài)?？刂平缑娌捎妙愃芖indows的控件編程方式,把每一個控件看作一個任務來處理, 以手動精調(diào)控制界面(見圖5)為例，上面有10個控件：控制電機位置的滾動條控件(6個)、控制饋源艙運動速度的滾動條控件(1個)、6臺電機位置復位按鈕控件(1個)、切換到自動控制和手動控制按鈕控件(各一個)、電機啟動控件(1個)，加上前面的觸摸屏檢測任務,在此需建11個任務。它們之間靠消息通訊,觸摸屏任務主要完成給其它11個任務發(fā)消息。每當檢測到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)換到當前觸摸屏按下點的坐標值,再把這個坐標值以消息的形式發(fā)出去，然后調(diào)用OSTimeDly(1)函數(shù)延時10ms。其余10個任務調(diào)用OSQPend()等待消息(坐標值),如坐標值在此控件內(nèi)，觸發(fā)相應的事件。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
…………
OSTaskCreate(MotorRun,(void*)0,(OS_STK*)&RunTaskStk [8000],6); // 創(chuàng)建電機RUN任務
OSStart(); // 啟動多任務
}
void TouchSreen(void *pdata){
…………
OS_ENTER_CRITICAL();
μCOS_TickInit()； //為μC/OS-II提供100Hz的系統(tǒng)時鐘
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值)；
ADS7846_Int_Flag=0;
}
OSTimeDly(1);
}
要實現(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)構的特點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),并能實時適應受控對象的變化,采用非參數(shù)模型自適應控制算法[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程序,都放在OS_CPU_C.C中。例如,為了使電機運轉(zhuǎn)連續(xù)以保證懸索饋源艙系統(tǒng)做平穩(wěn)的掃描運動,要求當前伺服指令執(zhí)行后需要更新脈沖的頻率(RC的值)和脈沖計數(shù)的個數(shù)(8254)在幾毫秒內(nèi)完成,同時又要有很好的實時性,必須采用中斷服務方式實現(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計數(shù)器的最高計數(shù)頻率為10MHz，制約了整個系統(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計數(shù)器(見圖3)的CLK為TIMER_CLOCK2(7.5MHz),RA=1,RC=3,這時輸出的頻率應為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)在大射電望遠鏡5米模型上通過調(diào)試,運行良好。目前ARM處理器絕大部分都用于手持設備，對實時性要求不高,但工業(yè)控制中要求實時性高。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浪費，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
1 段寶巖.新一代大射電望遠鏡機電光一體化設計研究[J]. 中國機械工程,1999;10(9):1002～1004
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懸索饋源系統(tǒng)中的應用[J]. 電子機械工程,2002;18(2)
6 張玉魁. 大射電望遠鏡控制軟件系統(tǒng)的研究.西安電子科技大學碩士學位論文, 2001;01