基于TMS320F2812和μC/OS_II的飛機電氣測控終端設(shè)計

摘要:本文介紹了基于新型高性能DSP芯片TMS320F2812和嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS_II的飛機電氣測控終端的設(shè)計與實現(xiàn),該終端已被用于先進飛機配電系統(tǒng)的地面實驗系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞:F2812;μC/OS_II;測控終端;任務(wù)

引言

作為飛機電氣系統(tǒng)的重要組成部分,飛機配電系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)電功功率的合理分配和控制。目前,我國大多數(shù)飛機采用的都是常規(guī)配電系統(tǒng),但由于這種配電系統(tǒng)具有電網(wǎng)重量大、空勤人員負擔重、自動化程度低等缺點,在一定程度上已經(jīng)對飛機的研制進程產(chǎn)生了許多不利的影響,因此開發(fā)更為先進的飛機配電系統(tǒng)成為當務(wù)之急。隨著電子及計算機技術(shù)的發(fā)展,借鑒國外的研究現(xiàn)狀,采用分布式配電和負載自動管理技術(shù)的先進飛機配電系統(tǒng)是目前發(fā)展的總趨勢。本實驗室對先進飛機配電系統(tǒng)進行了多年研究,設(shè)計了包括電源系統(tǒng)處理機、負載管理中心、匯流條控制器及負載仿真器四部分的飛機配電地面實驗系統(tǒng)。本文所要介紹的飛機測控終端是適用于匯流條控制器和負載管理中心的通用測控終端,其主要實現(xiàn)對負載狀態(tài)的監(jiān)測并依據(jù)電源系統(tǒng)處理機發(fā)布的控制命令實現(xiàn)對負載的控制。下面將從硬件及軟件兩方面介紹測控終端的實現(xiàn)。

硬件設(shè)計

TMS320F2812DSP介紹

TMS320F2812DSP是德州儀器公司(TI)推出一種32位高性能數(shù)字信號處理器,它擁有峰值每秒運行150萬條指令(MIPS)的處理速度和單周期完成32×32位MAC運算的功能,同時它還具有128K×16的片上Flash、18K×16的片上RAM以及大量的片上外設(shè),包括AD轉(zhuǎn)換模塊、兩個事件管理器(EVA和EVB)、CAN總線控制器、兩個串行通信接口模塊(SCIA和SCIB)、串行外設(shè)接口模塊(SPI)、多功能串行接口(McBSP)及56個通用IO口。該DSP以高效的32位定點CPU——TMS320C28xTM為核心處理器,其開發(fā)既可使用C28x匯編也可使用ANSIC/C++語言。此外TI公司還提供有虛擬浮點數(shù)學(xué)函數(shù)庫(IQ數(shù)學(xué)函數(shù)庫)、快速傅立葉變換(FFT)算法函數(shù)庫、濾波器庫等,這些函數(shù)庫可顯著簡化應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)。TMS320F2812強大的功能使其完全能滿足測控終端的設(shè)計要求。

系統(tǒng)硬件設(shè)計

作為飛機電氣系統(tǒng)測控平臺的組成部分,測控終端主要功能包括:處理主控模塊控制命令、監(jiān)控主電力匯流條、檢測開關(guān)量的狀態(tài)、控制開關(guān)量及傳送智能終端狀態(tài)數(shù)據(jù)等。為了實現(xiàn)上述功能,并充分利用DSPTMS320F2812強大的外設(shè)功能及嵌入式操作系統(tǒng)的優(yōu)點,設(shè)計中將系統(tǒng)分為交流電壓采集模塊、頻率采集模塊、開關(guān)量管理模塊及通信模塊四部分來實現(xiàn),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示。交流電壓采集模塊及頻率采集模塊用來實現(xiàn)對電力匯流條參數(shù)的檢測,開關(guān)量管理模塊用來實現(xiàn)對開關(guān)量狀態(tài)的檢測并依據(jù)電源系統(tǒng)處理機發(fā)來的控制命令及負載優(yōu)先級狀態(tài)實現(xiàn)對開關(guān)量的控制,通信模塊主要實現(xiàn)測控終端與電源系統(tǒng)處理機間的通信。

圖1 電氣測控終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通信模塊

國外先進飛機配電系統(tǒng)中均采用1553B總結(jié)實現(xiàn)各模塊的通信,考慮到本次設(shè)計的是地面實驗系統(tǒng),因此各模塊的通信采用與1553B相似的CAN通信。由于F2812本身具有增強型CAN總線控制器,因此通信模塊的硬件設(shè)計主要是CAN總線驅(qū)動電路的設(shè)計,這里我們選用飛利浦公司的CAN通信收發(fā)器PCA820C250作為F2812的CAN控制器和物理總線間的接口,以實現(xiàn)對總線的差動發(fā)送和接收功能。為了防止干擾信號的引入,設(shè)計中采用高速光耦6N137對F2812及物理總線進行隔離。

軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括系統(tǒng)軟件設(shè)計和應(yīng)用軟件設(shè)計。系統(tǒng)軟件設(shè)計的主要任務(wù)是實現(xiàn)μCOS_II在F2812上的移植;應(yīng)用軟件設(shè)計的主要任務(wù)是測控終端功能的實現(xiàn)。

系統(tǒng)軟件設(shè)計

本次設(shè)計系統(tǒng)軟件采用源代碼公開實時操作系統(tǒng)μC/OS_II,它是一個基于優(yōu)先級的、可移植、可固化、可裁剪、占先式實時操作系統(tǒng),其絕大部分源碼是用ANSIC寫的。μC/OS_II通過了聯(lián)邦航空局(FAA)商用航行器認證,符合RTCA(航空無線電技術(shù)委員會)DO-178B標準。這也是本次設(shè)計采用μC/OS_II的一個原因。要使用μC/OS2-II,首先要把這個內(nèi)核成功移植到所使用的CPU上。μC/OS_II在F2812上的移植工作包括以下幾個內(nèi)容:
①在OS_CPU.H中定義與處理器相關(guān)的常量、宏及數(shù)據(jù)類型,例如關(guān)中斷和開中斷的定義分別為#defineOS_ENTER_CRITICAL()asm“DINT”及#defineOS_EXIT_CRITICAL()asm“EINT”。
②調(diào)整和修改頭文件OS_CFG.H,以裁減或修改μC/OS_II的系統(tǒng)服務(wù),減少資源損耗。例如#defineOS_MBOXEN_0即禁止使用郵箱相關(guān)的代碼。
③編寫C語文件OS_CPU.C。由于本次設(shè)計中未用到其他幾個函數(shù),因此這里主要完成函數(shù)OS-TaskStkInit()的編寫。OS-TaskStkInit()用來初始化任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu),使其看起來象剛發(fā)生過中斷并將所有的寄存器保存到堆棧的情形一樣。
④編寫匯編語言文件OS_CPU.ASM。本文件包括4個子函數(shù)程序:OSStartHighRdy()(運行最高優(yōu)先級任務(wù))、OSCtxSw()(任務(wù)級的任務(wù)切換)、OS-IntCtxSw()(中斷級的任務(wù)切換)和OSTickISR()(μC/OS_II的時間節(jié)拍中斷函數(shù)),這是μC/OS-II移植中的重點和難點,這幾個函數(shù)的合理實現(xiàn),是保證μC/OS-II運行的基礎(chǔ)。上述工作完成后,μCOS_II就可以運行了。

應(yīng)用軟件設(shè)計

系統(tǒng)任務(wù)的構(gòu)成及優(yōu)先級分配
本測控終端要完成的任務(wù)包括:①16路模擬量的采集;②2路頻率采集;③32路狀態(tài)量采集;④16路控制量輸出;⑤與上位機的實時CAN總線通信;⑥自檢測。根據(jù)上述實現(xiàn)功能劃分系統(tǒng)的任務(wù)如表1所示,對任務(wù)優(yōu)先級的分配,這里主要考慮任務(wù)的實時性,對實時性要求高的任務(wù)分配較高的優(yōu)先級,使其得到優(yōu)先調(diào)度。


優(yōu)先級最高的是開始任務(wù)(TaskStart),這是系統(tǒng)啟動后運行的第一個任務(wù)。在該任務(wù)中要完成系統(tǒng)及相關(guān)外設(shè)的初始化,并進行必要的自檢測,然后創(chuàng)建其余的各個任務(wù)。在完成其余各個任務(wù)的創(chuàng)建之后,該任務(wù)要刪除自己,要系統(tǒng)資源讓給其它任務(wù),整個系統(tǒng)開始正常運行。該任務(wù)的示意代碼如下: 
/*系統(tǒng)及外設(shè)的初始化*/
/*系統(tǒng)自檢測*/
/*創(chuàng)建各個任務(wù)*/
StartCpuTimer2();;            /*起動時間片*/
OSStatInit();                        /*統(tǒng)計任務(wù)初始化*/
創(chuàng)建智能終端的各個應(yīng)用任務(wù);
KickDog();                          /*WatchDog復(fù)位*/
OSTaskDel(OS_PRIO_SELF);     /*刪除開始任務(wù)*/
除了TaskStart()之外,其余各個任務(wù)模塊的結(jié)構(gòu)都是一個無限循環(huán)體,圖2給出了一般任務(wù)的任務(wù)流程圖。各任務(wù)的運行采用事件驅(qū)動方式,用戶創(chuàng)建任務(wù)后,初始化為掛起狀態(tài),等待中斷或其他任務(wù)發(fā)相應(yīng)的事件來驅(qū)動該任務(wù)。

圖2任務(wù)流程圖

任務(wù)的通信與同步
μC/OS-II提供了五種用于數(shù)據(jù)共享和任務(wù)通信的方法:信號量、郵箱、消息隊列、事件標志及互斥型信號量。信號量可以控制共享資源的使用權(quán),也可以協(xié)調(diào)外部事件與任務(wù)的執(zhí)行,提供了任務(wù)間通信、同步和互斥的最快通信,μC/OS-II提供了3種類型的信號量,即二進制型、計數(shù)型和互斥型。事件標志可使任務(wù)與多個事件同步,若與多個事件的任何一個同步,稱為獨立型同步,若與多個事件都同步,稱之為關(guān)聯(lián)型同步。郵箱是一種通信機制,它可以使一個任務(wù)或中斷服務(wù)子程序向另一個任務(wù)發(fā)送一個指針型的變量,該指針指向一個包含了特定消息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。消息隊列是另一種通信機制,它可以使一個任務(wù)或中斷服務(wù)子程序向另一個任務(wù)發(fā)送以指針定義的變量,具體應(yīng)用不同,每個指針指向的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也不同?；コ庑托盘柫渴且环N特殊的二進制型信號量,主要用于解決內(nèi)在的互斥問題,減少實際應(yīng)用中所必需的優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)。

在設(shè)計測控終端軟件時,充分利用了μC/OS-II提供的這些通信機制,來協(xié)調(diào)各個獨立任務(wù)的運行。這里以通信模塊為例介紹通信機制在設(shè)計中的應(yīng)用。通信模塊共包含四個任務(wù)TaskUnpack()、TaskPack()、TaskCANRX()和TaskCANTX()和一個中斷Intecan(),任務(wù)間的通信流程如圖3所示。在采集模塊中如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)某個信號發(fā)生異常則各采集模塊就會發(fā)送Qstate,從而使打包任務(wù)處于就緒狀態(tài)。終端對上位機數(shù)據(jù)的接收采用中斷方式,在中斷服務(wù)程序中發(fā)送標志量給任務(wù)TaskCANRX(),使其處于就緒態(tài)。在接收任務(wù)函數(shù)中通過判斷自定義的數(shù)據(jù)包頭決定接收數(shù)據(jù)的類型,如果接收的數(shù)據(jù)是開關(guān)量控制命令,則發(fā)送郵箱標志MboxUnpack給解包任務(wù),如果接收的數(shù)據(jù)是發(fā)送狀態(tài)量請求命令,則發(fā)送標志量FlagCANTX給發(fā)送任務(wù)。另外,在打包任務(wù)和發(fā)送任務(wù)處理中,為了防止對共享數(shù)據(jù)區(qū)Data_BusToSend[x]誤操作,我們使用了共享沖突信號量MutexSendEMPCMu-texSendDI和MutexSendBus。:其執(zhí)行表示意性代碼如下：
OSMutexPend(MutexSendBUS,0,&err);/*對數(shù)據(jù)區(qū)DataBusToSend[x]進行操作*/
OSMutexPost(MutexSendBUS);

圖3任務(wù)通信流程

通信及同步處理是保證μC/OS_II系統(tǒng)及各應(yīng)用任務(wù)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵,通過在仿真軟件CCS2.2中調(diào)試,證明本次設(shè)計軟件系統(tǒng)運行穩(wěn)定,且能夠保證各任務(wù)的實時性要求,這也證明了設(shè)計中對通信及同步的處理合理正確。

 結(jié)束語

作為飛機配電地面實驗系統(tǒng)的組成部分,測控終端必須滿足實時性的要求,因此我們選用了主頻為150MHz的數(shù)字信號處理器TMS320F2812作為主CPU;在軟件設(shè)計方面,采用實時嵌入式系統(tǒng)μCOS_II不僅使各任務(wù)的實時性得到滿足,而且提高了軟件運行的可靠性。該測控終端具有軟件結(jié)構(gòu)簡單,模塊化程度高,便于系統(tǒng)調(diào)試、維護升級等優(yōu)點,其在工業(yè)控制領(lǐng)域也有相當好的應(yīng)用前景。