μC/OS-II在壓力測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

0引言

工業(yè)色譜儀是是一種大型流量分析儀器，主要用于石化、煉油、鋼鐵等行業(yè)。針對(duì)色譜儀的研究也有很長(zhǎng)的歷史[1]，而在色譜儀中，對(duì)壓力的檢測(cè)和控制是至關(guān)重要的。在文獻(xiàn) [2]中，作者設(shè)計(jì)的壓力測(cè)控裝置在各個(gè)方面均有了很大改進(jìn)，但是在該智能壓力控制板中主要采用的是 PID算法，其穩(wěn)定性較差，控制板在系統(tǒng)升級(jí)方面有諸多不便，實(shí)時(shí)性能較差。由于每次升級(jí)系統(tǒng)的程序都要重寫，因此，其在成本方面相對(duì)較高，可移植性差。

鑒于上述原因，本文將采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) µC/OS-II，µC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)是由美國(guó)人 Jean J.Labrosse先生編寫的，并在 2000年 7月在美國(guó)一個(gè)航空項(xiàng)目中的得到了美聯(lián)邦航空管理局對(duì)于商用飛機(jī)、符合 RTCA DO-178標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。能用于與人類性命攸關(guān)的、安全性條件極為苛刻的場(chǎng)合 [3]。該操作系統(tǒng)是開源的、免費(fèi)的，使得該操作系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，目前該系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)覆蓋照相機(jī)、醫(yī)療器械、音響設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)控制以及自動(dòng)提款機(jī)等等[4][5]。

文獻(xiàn)[2]中的壓力智能測(cè)控系統(tǒng)采用由美國(guó) Cygnal公司生產(chǎn)的完全集成混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片 C8051F041[6]。因此，本文將首先介紹壓力智能控制板的硬件電路，然后針對(duì)硬件電路，將 µC/OS-II移植到單片機(jī) C8051F041中，并編寫相應(yīng)驅(qū)動(dòng)程序。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于所設(shè)計(jì)的電路圖是由筆者設(shè)計(jì)，并經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的，該系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程見參考文獻(xiàn)[2]，此處將不再對(duì)整個(gè)電路的設(shè)計(jì)過程作詳細(xì)描述，這里只加以說(shuō)明。其硬件結(jié)構(gòu)下圖：

系統(tǒng)采用了 C8051F041做 CPU，該芯片片內(nèi)集成 12位 AD轉(zhuǎn)換器、 DA轉(zhuǎn)換器以及 CAN控制器，選用該芯片的好處就是大大節(jié)約了裝置的體積，給整個(gè)系統(tǒng)的安裝帶來(lái)方便。脈寬調(diào)制器采用 LM3254，壓力傳感器選用霍尼韋爾壓力傳感器。

2 µC/OS-II在 C8051F041上的移植

為了提高代碼的可移植性，以及縮短開發(fā)周期，并增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，軟件部分將采用嵌入式操作系統(tǒng) µC/OS-II，版本為 2.52版本。嵌入式操作系統(tǒng) µC/OS-II的移植因移植對(duì)象的不同而不同，目前已經(jīng)有人將 µC/OS-II操作系統(tǒng)移植到 C8051F020上[7]。C8051F041芯片是 Cygnal公司生產(chǎn)的一款高性能的芯片，在很大程度上較 C8051F020有了提高，另外在開發(fā)中本文采用了不同的編譯環(huán)境，所以在 C8051F041移植將有必要作一詳細(xì)介紹。

2.1 C8051F041的開發(fā)環(huán)境

在以前的移植開發(fā)中，都采用的是 keil的編譯器，該編譯器雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但入手較慢，本文將采用 Silicon Lab公司提供的免費(fèi)的集成開發(fā)環(huán)境 Silicon Laboratories IDE，該環(huán)境可以集成 µVision2使用。使用起來(lái)相當(dāng)方便。

2.2 移植工作

2.2.1 實(shí)現(xiàn)代碼的可重入性

C8501F041開發(fā)環(huán)境采用的是 Silicon Laboratories IDE開發(fā)環(huán)境，該環(huán)境集成keil C編譯器，因此支持可編譯、可重入代碼，只需要在每個(gè)函數(shù)后邊加入關(guān)鍵字reentrant。

在本工程中，將用 #define KCREENTRANT large reentrant語(yǔ)句替換。即 KCREENTRANT代表的是大模式下可重入函數(shù)，該語(yǔ)句添加到 INCLUDE.H中。在把 µC/OS-II移植到 C8051F041 MCU 過程中，要將任務(wù)函數(shù)定義為再入函數(shù)。

2.2.2 將與控制器無(wú)關(guān)的代碼添加到工程文件

這些文件包括：OS_CORE.C、uCOS_II.C、OS_FLAG.C、UCOS_II.H OS_MBOX.C、

OS_MEM.C、OS_MUTEX.C、OS_Q.C 、OS_SEM.C、OS_TASK.C、OS_TIME.C。但是要注意在µCOS_II.C文件中要把根目錄去掉，比如：#include "os_core.c"。

2.2.3 將需要改動(dòng)的代碼添加至工程

本次移植需要改的代碼有以下若干文件：OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM和OS_CPU_C.C、 OS_CFG.H、INCLUDE.H。其中OS_CFG.H和INCLUDE.H是與應(yīng)用相關(guān)的。

在OS_CPU.H文件中，包括了用 #define定義的、與處理器相關(guān)的常數(shù)、宏以及類型。該文件由兩部分組成。一部分為與編譯器相關(guān)的的代碼;另一部分為與處理器相關(guān)的代碼。因處理器為 8位字長(zhǎng)， OS_STK定義為8位字長(zhǎng)，修改相應(yīng)語(yǔ)句為 typedef unsigned char OS_STK。 CPU狀態(tài)寄存器為8位，修改相應(yīng)語(yǔ)句為 typedef unsigned char OS_CPU_SR。在C8051系統(tǒng)中用C語(yǔ)言代碼EA=0表示關(guān)閉總中斷，而用EA=1表示開放總中斷，因此相關(guān)代碼修改為

#define

OS_CRITICAL_METHOD 1

#if OS_CRITICAL_METHOD == 1

#define OS_ENTER_CRITICAL() EA=0 /*禁止中斷*/

#define OS_EXIT_CRITICAL() EA=1 /*開放中斷*/

#endif

另外由于C8051F041單片機(jī)的堆棧是從低地址向高地址生長(zhǎng)的，因此相應(yīng)語(yǔ)句修改為： #define OS_STK_GROWTH 0。

在OS_CPU_C.C文件中，只需要編寫該文件中的十個(gè)函數(shù)，但是除了 OSTaskStkInit()必需之外，其它函數(shù)可不編寫。

在OS_CPU_A.ASM文件中，要編寫 4個(gè)簡(jiǎn)單的匯編語(yǔ)言函數(shù)： OSStartHighRdy()、 OSCtxSw()、OSIntCtxSw()、OSTickISR()。由于 Silicon Laboratories IDE集成開發(fā)環(huán)境支持匯編語(yǔ)言開發(fā)，可以直接編寫匯編語(yǔ)言完成移植。 OSStartHighRdy()昀本質(zhì)的功能就是在 OSStart()啟動(dòng)任務(wù)時(shí)，通過 OSStartHighRdy()來(lái)恢復(fù)用戶堆棧，使用戶任務(wù)得以運(yùn)行。完成該功能主要的方法就是將用戶棧復(fù)制到系統(tǒng)堆棧，然后恢復(fù)堆棧。 OSCtxSw()主要是完成任務(wù)級(jí)的切換工作，可說(shuō)是操作系統(tǒng)的核心部分。主要完成的工作有以下幾項(xiàng)：保存處理器寄存器;在當(dāng)前的任務(wù)控制塊中保存當(dāng)前任務(wù)的堆棧指針;調(diào)用 OSTaskHooK();得到將要重新開始運(yùn)行的任務(wù)的堆棧指針;從新的任務(wù)堆棧中恢復(fù)處理器所有寄存器的值;執(zhí)行中斷返回指令。 OSIntCtxSw()函數(shù)包含的工作與 OSCtxSw()函數(shù)要做的工作的工作基本相同，只是開頭處不一樣。函數(shù) OSIntCtxSw()一開始并沒有保存堆棧指針，而是調(diào)整堆棧指針，這是因?yàn)楫?dāng)OSIntCtxSw()開始執(zhí)行時(shí)，OSInitExit()和 OSIntCtxSw()的返回地址已經(jīng)放在堆棧中了。[!--empirenews.page--]

uC/OS-II要求用戶提供一個(gè)周期性的時(shí)鐘源，來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間的延遲和超時(shí)功能。為了完成該任務(wù)，采用C8051F041定時(shí)器0。時(shí)鐘節(jié)拍節(jié)拍定為 100次/s，時(shí)鐘節(jié)拍的啟動(dòng)必須在開始多任務(wù)之后，即啟動(dòng)函數(shù) OSStart()運(yùn)行之后，第一個(gè)任務(wù)運(yùn)行之前。因此，往往把時(shí)鐘的啟動(dòng)放在第一個(gè)任務(wù)中，否則應(yīng)用程序會(huì)崩潰。

2.3 相關(guān)驅(qū)動(dòng)的編寫及測(cè)試

2.3.1 C8051F041驅(qū)動(dòng)的編寫

為了使裁減后的操作系統(tǒng)能在 C8051F041上正常運(yùn)行，首先要編寫系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。代碼如下：

void SYSCLK_Init(void)

{WDTCN = 0xde;

WDTCN = 0xad;

unsigned n;

OSCXCN = 0x67;

for (n = 0; n < 255; n++) ;

while ( !(OSCXCN & 0x80));

OSCICN = 0x08; }

另外，各個(gè)端口按照所需要的功能進(jìn)行工作也需要編寫相應(yīng)驅(qū)動(dòng)：void PORT_Init (void);除此之外，還需編寫的驅(qū)動(dòng)有 CAN接口的驅(qū)動(dòng) void CAN_Init(void)、 AD驅(qū)動(dòng) void AD_INIT(void)、DA驅(qū)動(dòng)DA_INIT(void)，從而完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)的采集與控制功能。

2.3.3 測(cè)試工作

在操作系統(tǒng)移植完成后，要測(cè)試操作系統(tǒng)移植是否成功，由于操作系統(tǒng)昀主要的功能是任務(wù)調(diào)度，因我們只要驗(yàn)證在程序運(yùn)行的過程中，任務(wù)確實(shí)發(fā)生了調(diào)度，就可以判斷操作系統(tǒng)運(yùn)行了。

這里將通過兩個(gè)端口連接兩個(gè)LED燈，通過編寫兩個(gè)不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中一個(gè)任務(wù)編寫如下：

void mytask1(void) KCREENTRANT {unsigned char temp=1,times1=0; InitTimer0(); for(;;) {times1++;

ADCANif(!(LED&0x01)) 采發(fā) { LED = 1; 樣送} 任任

OSTimeDly(100); 務(wù)務(wù) } }

3 操作系統(tǒng)之上的軟件部分設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，要完成的工作主要有以及下幾個(gè)部分： A/D數(shù)據(jù)采樣、 CAN發(fā)送數(shù)據(jù)、CAN接收數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)濾波、PID算法以及DA輸出控制，系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。

3.1 系統(tǒng)主程序

由于加入了實(shí)時(shí)內(nèi)核其主程序部分編寫略有不同，在程序中首先要初始化本程序中所有要用到的驅(qū)動(dòng)，然后調(diào)用函數(shù)OSInit()初始化uC/OS-II，僅接著通過創(chuàng)建任務(wù)函數(shù)創(chuàng)建任務(wù)，昀后調(diào)用OSStart()啟動(dòng)uC/OS-II操作系統(tǒng)。

3.3 PID控制程序

PID控制中，如果系統(tǒng)產(chǎn)生偏差輸入，在偏差很大的情況下進(jìn)行 PID控制的話，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)過慢，為了提高 PID控制的響應(yīng)速度，在 PID控制中加入比例控制環(huán)節(jié)，當(dāng)偏差大于某個(gè)值的時(shí)實(shí)行比例控制，小于某個(gè)值時(shí)，進(jìn)行PID控制。其控制流程如圖 3所示。

在圖3中，PID算法下的控制增量如下：

4 結(jié)束語(yǔ)

在色譜儀壓力檢測(cè)控制裝置中采用µC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，很好提高了系統(tǒng)的可移植性和實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)后續(xù)改進(jìn)的成本也得以降低，在原有系統(tǒng)中采用純 PID空算法的基礎(chǔ)上，加入比例控制控制算法，很好的提高了系統(tǒng)控制響應(yīng)的快速性。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)： µC/OS-II在SOC芯片C8051F041上的移植;將 µC/OS-II應(yīng)用于壓力測(cè)控裝置;在原有PID控制算法基礎(chǔ)上加入比例控制。