環(huán)形緩沖器在頻發(fā)事件中的應(yīng)用

引 言
    單片機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而實(shí)際應(yīng)用中對(duì)單片機(jī)的要求也越來(lái)越高。人們總是希望單片機(jī)成本盡可能的低，功耗盡可能的低，處理能力又要盡可能的強(qiáng)。這三者是相互矛盾的。
    在設(shè)計(jì)具體產(chǎn)品前，一般是根據(jù)成本和估計(jì)的處理能力，先選中一款單片機(jī)，接下來(lái)的軟件工作就是利用各種技巧，讓單片機(jī)能夠應(yīng)付多項(xiàng)任務(wù)和多個(gè)進(jìn)程而不發(fā)生沖突。使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以很容易地避免這些沖突，但實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)因程序代碼過(guò)大常讓人不敢問(wèn)津。
    對(duì)于不使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的前后臺(tái)模式的程序，解決時(shí)間沖突或任務(wù)沖突的方式有很多，常用的有：任務(wù)的時(shí)間片穿插、信號(hào)量或標(biāo)志位的使用、數(shù)據(jù)緩沖等等。數(shù)據(jù)緩沖方式一般有硬件上的F／F緩沖和軟件上的環(huán)形緩沖兩種方式。軟件環(huán)形緩沖器按實(shí)際需要，又可做成單向或雙向兩種操作方式。環(huán)形緩沖的方式非常適合高頻率發(fā)生事件的處理。

1 環(huán)形緩沖器的操作
    軟件環(huán)形緩沖器，因?yàn)橐ㄟ^(guò)定義數(shù)組在內(nèi)存中開(kāi)辟數(shù)據(jù)空間，所以也常稱之為“環(huán)形緩沖區(qū)”。還要定義兩個(gè)指針：一個(gè)數(shù)據(jù)寫入指針PtrIn，用來(lái)指向下一次數(shù)據(jù)寫入的地址；另一個(gè)是數(shù)據(jù)讀出指針PtrOut，指向下一次讀出數(shù)據(jù)的地址，如圖1所示。

    數(shù)據(jù)隊(duì)列中若沒(méi)有必須緊急處理的事件，環(huán)形緩沖器就只考慮單向操作。
1．1 環(huán)形緩沖器的單向操作
    所謂“單向操作”，是指環(huán)形緩沖器中的數(shù)據(jù)總是從前面讀出，在最后追加。創(chuàng)建緩沖器時(shí)，寫入指針PtrIn和讀出指針PtrOut都初始化到緩沖器的起點(diǎn)BUF＿BE-GIN，即數(shù)組的第一個(gè)地址空間。寫入數(shù)據(jù)后，兩指針不再指向同一地址。隨著數(shù)據(jù)的不斷寫入，寫入指針可能會(huì)追上讀出指針，兩個(gè)指針再次指向同一地址。兩指針指向同一地址時(shí)，如何判斷緩沖區(qū)是滿還是空呢?有兩個(gè)常用的方法：一個(gè)方法是不讓寫入指針追上讀出指針。當(dāng)寫入指針追上讀出指針時(shí)，讓寫入指針再后退一個(gè)地址，先寫入的數(shù)據(jù)也就無(wú)效了。顯然，這樣緩沖器中實(shí)際可使用的最大空間比定義的空間要少一個(gè)。當(dāng)緩沖空間的數(shù)據(jù)是多字節(jié)的結(jié)構(gòu)變量時(shí)，這個(gè)方法會(huì)浪費(fèi)太多空間。另一個(gè)方法是增加一個(gè)緩沖區(qū)滿標(biāo)志變量，此變量若為真，表示兩指針相同時(shí)，緩沖器數(shù)據(jù)是滿的，否則緩沖器為空。還有一個(gè)不太常用的方法，是利用數(shù)據(jù)是否有效的辦法，詳見(jiàn)本文第2部分。
    讀出指針是可以追上寫入指針的。這時(shí)緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)被讀空。下面以16個(gè)字空間為例給出操作程序：

開(kāi)辟空間

1．2 環(huán)形緩沖器的雙向操作
    如果環(huán)形緩沖器中有必須優(yōu)先處理的數(shù)據(jù)，就要把這樣的數(shù)據(jù)寫到緩沖器的開(kāi)頭，即讓讀出指針PtrOut后退一個(gè)空間，把數(shù)據(jù)寫入。這也叫“后入先出”數(shù)據(jù)操作。前面提到的寫入方式又叫先入先出數(shù)據(jù)操作。下面再給出后入先出的寫入程序：

    一個(gè)環(huán)形緩沖器，有了以上這3段操作程序，就成了可以雙向操作的環(huán)形緩沖器。

2 環(huán)形緩沖在二維步進(jìn)電機(jī)控制中的應(yīng)用
    二維數(shù)控機(jī)床有X方向和Y方向兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，單片機(jī)要控制這兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)共同攜帶的刀具走出預(yù)定的曲線，有以下4項(xiàng)任務(wù)：
    ①計(jì)算出下一步，是僅X方向(或僅Y方向)的步進(jìn)電機(jī)走一步，還是X、Y方向的步進(jìn)電機(jī)同時(shí)走一步。
    ②控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)盡量以恒轉(zhuǎn)矩加減速，防止失步。
    ③隨時(shí)接收來(lái)自鍵盤的動(dòng)作指令。
    ④在圖形LCD上顯示X和Y方向路線圖。
    兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)以最高速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，都是333μs走一步，實(shí)時(shí)性又很強(qiáng)，可采用兩個(gè)環(huán)形緩沖器，來(lái)解決時(shí)間矛盾：一個(gè)是有16個(gè)字節(jié)空間的環(huán)形緩沖器，來(lái)暫存鍵盤發(fā)來(lái)的鍵碼，因?yàn)橛芯o急停止按鍵功能，所以雙向操作；另一個(gè)是驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的數(shù)據(jù)，用一個(gè)有16個(gè)空間的環(huán)形緩沖器，單向操作。主程序中計(jì)算步進(jìn)電機(jī)相位、一步時(shí)間和走線方向，寫入環(huán)形緩沖器。定時(shí)中斷程序中讀出緩沖器，輸出數(shù)據(jù)到端口，并重置定時(shí)器。
    啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)前，首先填滿緩沖器，再啟動(dòng)第一步。啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)后，程序流程如圖2所示。

    驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)除了需要相位數(shù)據(jù)外，還要每一步的定時(shí)時(shí)間。緩沖器中的數(shù)據(jù)格式應(yīng)為結(jié)構(gòu)類型。為便于單指令操作，沒(méi)有采用結(jié)構(gòu)類型數(shù)據(jù)，而是用了地址相差32個(gè)字節(jié)的兩個(gè)環(huán)形緩沖器，這樣可以用一對(duì)指針進(jìn)行同步操作。若輸出指針PtrOut指向相位緩沖器中某一相位輸出數(shù)據(jù)，則地址PtrOut+32就指向時(shí)間緩沖器中步進(jìn)電機(jī)這一步所需要的時(shí)間。
    步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，每步時(shí)間不能為O，以此判斷緩沖器內(nèi)數(shù)據(jù)是否有效，省去了緩沖器滿變量。同時(shí)相位緩沖器的16個(gè)字?jǐn)?shù)據(jù)，定位在二進(jìn)制(XXXX XXXXXX00 0000B)到(XXXX XXXX XX01 1111B)的字節(jié)空間，地址越界的處理變成了簡(jiǎn)單地把位5清零。這些方法都加快了緩沖器的操作。
    采用帶HSIO功能的80C196系列單片機(jī)，把HSIO做成軟件定時(shí)器工作模式。使用16 MHz的晶振時(shí)，匯編中斷程序的執(zhí)行時(shí)間不到10μs。

   

結(jié) 語(yǔ)
    環(huán)形緩沖器把數(shù)據(jù)集中處理，這樣就把多個(gè)短的時(shí)間段組織成了一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間段。在本例中，步進(jìn)電機(jī)以最高速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，把16個(gè)緩沖空間填滿，就把333μs匯集成了5 ms多的一個(gè)時(shí)間段。在這段時(shí)間里環(huán)形緩沖器不會(huì)被讀空，所以這段時(shí)間主程序不必過(guò)問(wèn)步進(jìn)電機(jī)，可以去處理其他任務(wù)，只要在不超過(guò)5 ms的時(shí)間里，回頭再填滿緩沖器，就絲毫不影響步進(jìn)電機(jī)的流暢運(yùn)轉(zhuǎn)。增加環(huán)形緩沖器空間的個(gè)數(shù)，可以得到更長(zhǎng)的時(shí)間段。這種方式還可應(yīng)用于變頻調(diào)速的數(shù)據(jù)輸出、鍵盤碼緩沖，以及串口的、高速連續(xù)收發(fā)的程序中。開(kāi)發(fā)工作都有很大的借鑒作用。