基于PIC18F系列單片機的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計
前 言
嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、體積、成本、可靠性、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是面向應(yīng)用的，系統(tǒng)的硬件選型和軟件開發(fā)模式都必須根據(jù)具體的應(yīng)用確定。
永磁無刷直流電動機是電機控制研究領(lǐng)域的熱點之一，這與其自身固有的技術(shù)優(yōu)勢密切相關(guān)：以電子換相取代了有刷直流電動機的機械換相。從根本上革除了普通有刷直流電動機由于電刷換相帶來的火花、噪音、高故障率等一系列問題，同時又使系統(tǒng)的性能能夠與普通有刷直流電動機相媲美，因此得到了廣泛的應(yīng)用。永磁無刷直流電動機的電子換相離不開電機的轉(zhuǎn)子位置信號，傳統(tǒng)的方法是采用霍爾器件或其他位置傳感器檢測位置信號，這使得系統(tǒng)的維護和制造都不方便，并且由于傳感器的工作特性不穩(wěn)定，給系統(tǒng)的安全運行帶來了一些隱患。因此，無位置傳感器方案引起了人們的極大興趣。
本文結(jié)合無位置傳感器永磁無刷直流電動機控制系統(tǒng)的開發(fā)，以 MICroChip公司的 PIC18F452單片機為主控器件，并采用嵌入式實時操作系統(tǒng)μ C/OS-II 作為軟件開發(fā)平臺，詳細討論了嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)模式與流程。
2． 系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計
嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的第一步是結(jié)合具體的應(yīng)用，綜合考慮系統(tǒng)對成本、性能、可擴展性、開發(fā)周期等各個方面的要求，確定系統(tǒng)的主控器件，并以之為核心搭建系統(tǒng)硬件平臺。
無位置傳感器永磁無刷直流電動機控制系統(tǒng)的關(guān)鍵問題是位置檢測。目前已經(jīng)有了很多位置檢測方案，其中，反電勢法由于簡單實用而得以廣泛采用。反電勢法的原理是：基于電機的三相端電壓，通過硬件檢測電路或軟件算法得到三相反電勢過零信號，然后用軟件移相得到換相時刻，并在換相時刻按換相邏輯完成換相，觸發(fā)逆變橋以合適的導通時序工作，從而保證了電機的正常運行。
反電勢法的永磁無刷直流電動機無位置傳感器控制對系統(tǒng)硬件提出了更高的要求：
① 三個外部中斷輸入引腳，便于捕捉三相反電勢過零信號；
② 至少一個PWM模塊，實現(xiàn)電機的斬波調(diào)速；
③ 豐富的定時器資源，完成軟件移相、測速等功能；
④ 多通道的 AD轉(zhuǎn)換模塊，能夠采樣速度給定及主電路的電流、電壓信號；
⑤ 硬件乘法器，保證速度、電流調(diào)節(jié)器的快速性；
⑥ 足夠的程序和數(shù)據(jù)存儲器，便于系統(tǒng)擴展；
⑦ 高速的系統(tǒng)工作頻率，保證系統(tǒng)的強實時性；
⑧ 豐富的通信模塊，便于系統(tǒng)與其他嵌入式系統(tǒng)的互連。
對于無位置傳感器永磁無刷直流電動機控制系統(tǒng)的設(shè)計，有很多專用芯片可供選用，但為了進一步提高系統(tǒng)性能，增強設(shè)計的靈活性，多采用DSP或?qū)Ｓ?單片機 等智能器件。但是，這樣在提高系統(tǒng)性能的同時卻增加了系統(tǒng)開發(fā)成本。為了設(shè)計一個高性能、低成本的開發(fā)平臺，針對應(yīng)用對系統(tǒng)硬件的要求，考慮到 PIC18F452 單片機的高性價比，選用其作為主控器件。
PIC18F452 是 Microchip 公司推出的一款增強型 8 位 單片機 ，采用精簡指令集（ RISC ）的設(shè)計，有兩級流水線，最高運行頻率可達到 10MIPS ，能夠滿足系統(tǒng)對實時性的要求；指令總線 16 位寬，數(shù)據(jù)總線 8 位寬；單片機內(nèi)部有 32K 字節(jié)的 FLASH 程序存儲器， 1.5K 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器和 256 字節(jié)的 EEPROM ，便于系統(tǒng)的擴展；自帶 8 × 8 硬件乘法器；中斷資源豐富，提供 18 個中斷源，兩個中斷優(yōu)先級，并且中斷優(yōu)先級可配置。 PIC18F452 單片機配備了豐富的外圍模塊，極大地簡化了單片機外圍電路的設(shè)計。同時， Microchip 公司為 PIC18F 系列單片機提供了功能強大的指令集，共 77 條指令，絕大部分指令為單字（ 2 個字節(jié)）存儲，單周期執(zhí)行，應(yīng)用代碼的存儲壓縮率高，指令執(zhí)行效率高。
以 PIC18F452 為主控器件構(gòu)成的系統(tǒng)硬件框圖如圖 1所示。
值得說明的是：
① 系統(tǒng)中的換相邏輯由可編程邏輯器件完成，主要是為了提高系統(tǒng)的可靠性，從功能上講，完全可由 單片機 實現(xiàn)；
② 電機的速度檢測，可根據(jù)位置信號利用軟件計算得來，故省略了速度傳感器；
③ 模擬輸入為電機的速度給定信號。
3． 嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)模式
對于簡單的應(yīng)用系統(tǒng)，系統(tǒng)的軟件開發(fā)模式通常如圖 2 所示，稱為前后臺系統(tǒng)（也叫無限循環(huán)系統(tǒng)）。
前后臺系統(tǒng)中，應(yīng)用程序就是一個無限循環(huán)。循環(huán)中調(diào)用函數(shù)完成相應(yīng)的操作，這些操作稱為后臺任務(wù)；中斷服務(wù)程序處理異步事件，這部分稱為前臺行為。因為中斷服務(wù)程序提供的信息一直要等到后臺程序運行到該處理這個信息時才得到處理，所以最壞情況下的任務(wù)響應(yīng)時間等于整個循環(huán)的執(zhí)行時間。因為后臺循環(huán)的執(zhí)行周期不是常數(shù)，所以基于前后臺模式的應(yīng)用軟件開發(fā)，雖然設(shè)計過程簡單，但系統(tǒng)的實時性得不到保障。
為了提高系統(tǒng)的實時性，可以采用基于嵌入式實時操作系統(tǒng)（ RTOS ）的軟件開發(fā)模式。 RTOS 分為兩類：非可剝奪型內(nèi)核和可剝奪型內(nèi)核，一般商用的都是可剝奪型內(nèi)核，所以本文只討論此類 RTOS ，其內(nèi)核結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。
RTOS 將整個應(yīng)用細分為多個任務(wù)，每個任務(wù)完成特定的功能，并被賦予一定的優(yōu)先級，擁有自己的任務(wù)控制塊和?？臻g。一般地，每個任務(wù)在程序結(jié)構(gòu)上都是一個無限循環(huán)，它有多個狀態(tài)——休眠態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)、掛起態(tài)和中斷態(tài)等。系統(tǒng)內(nèi)核總是讓就緒態(tài)的高優(yōu)先級任務(wù)先運行，中斷服務(wù)程序可搶占 CPU ，中斷服務(wù)程序完成時，系統(tǒng)內(nèi)核讓此時就緒態(tài)中優(yōu)先級最高的任務(wù)運行（不一定是被中斷的任務(wù)）?？梢姡?RTOS 的軟件開發(fā)模式使系統(tǒng)的任務(wù)響應(yīng)時間得到了最優(yōu)化。更重要的是，這種開發(fā)模式將以往面向功能的應(yīng)用開發(fā)轉(zhuǎn)化為面相任務(wù)的應(yīng)用開發(fā)，簡化了系統(tǒng)設(shè)計的邏輯結(jié)構(gòu)；同時，由于有了 RTOS ，屏蔽了應(yīng)用軟件對底層硬件的可見性，將以往軟件系統(tǒng)的兩層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為三層結(jié)構(gòu)（如圖 4 所示），極大地方便了系統(tǒng)的軟件擴展與硬件升級。
對于 PIC18F 系列 單片機 ，目前常用的嵌入式實時操作系統(tǒng)有：μ C/OS-II 、 Salvo 、 CMX 、 PIC18OS 等。它們都是可剝奪型的實時內(nèi)核，詳細的比較如表 1 所示。
結(jié)合本文的具體應(yīng)用，綜合考慮系統(tǒng)硬件資源及上述幾種實時操作系統(tǒng)的特點，最終選用基于操作系統(tǒng)的軟件開發(fā)模式，并選擇μ C/OS-II 作為系統(tǒng)軟件平臺。
4． 基于μ C/OS-II 的應(yīng)用軟件開發(fā)
μ C/OS-II 是一個可移植、可固化、可裁剪及可剝奪型的多任務(wù)實時內(nèi)核，應(yīng)用開發(fā)時首先必須完成其在特定硬件上的移植。μ C/OS-II 在編寫的過程中就充分考慮到了可移植性，它的絕大部分代碼都由 ANSI C 寫成，與處理器相關(guān)的代碼集中在 OS_CPU.H 、 OS_CPU_A.ASM 、 OS_CPU_C.C 這三個文件中，因此只要針對具體的硬件改寫這些文件，就可以完成移植工作。
表 1 適用于 PIC18F 系列 單片機 的幾種嵌入式實時操作系統(tǒng)
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