基于PIC18F系列單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

前 言

嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、體積、成本、可靠性、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)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(dòng)機(jī)是電機(jī)控制研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，這與其自身固有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)密切相關(guān)：以電子換相取代了有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換相。從根本上革除了普通有刷直流電動(dòng)機(jī)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(shí)又使系統(tǒng)的性能能夠與普通有刷直流電動(dòng)機(jī)相媲美，因此得到了廣泛的應(yīng)用。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的電子換相離不開電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，傳統(tǒng)的方法是采用霍爾器件或其他位置傳感器檢測(cè)位置信號(hào)，這使得系統(tǒng)的維護(hù)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(yùn)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(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)，以 MICroChip公司的 PIC18F452單片機(jī)為主控器件，并采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μ C/OS-II 作為軟件開發(fā)平臺(tái)，詳細(xì)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(tái)設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步是結(jié)合具體的應(yīng)用，綜合考慮系統(tǒng)對(duì)成本、性能、可擴(kuò)展性、開發(fā)周期等各個(gè)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(tái)。

無位置傳感器永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵問題是位置檢測(cè)。目前已經(jīng)有了很多位置檢測(cè)方案，其中，反電勢(shì)法由于簡(jiǎn)單實(shí)用而得以廣泛采用。反電勢(shì)法的原理是：基于電機(jī)的三相端電壓，通過硬件檢測(cè)電路或軟件算法得到三相反電勢(shì)過零信號(hào)，然后用軟件移相得到換相時(shí)刻，并在換相時(shí)刻按換相邏輯完成換相，觸發(fā)逆變橋以合適的導(dǎo)通時(shí)序工作，從而保證了電機(jī)的正常運(yùn)行。

反電勢(shì)法的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制對(duì)系統(tǒng)硬件提出了更高的要求：

① 三個(gè)外部中斷輸入引腳，便于捕捉三相反電勢(shì)過零信號(hào)；

② 至少一個(gè)PWM模塊，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的斬波調(diào)速；

③ 豐富的定時(shí)器資源，完成軟件移相、測(cè)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(hào)；

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(chǔ)器，便于系統(tǒng)擴(kuò)展；

⑦ 高速的系統(tǒng)工作頻率，保證系統(tǒng)的強(qiáng)實(shí)時(shí)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(duì)于無位置傳感器永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有很多專用芯片可供選用，但為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，增強(qiáng)設(shè)計(jì)的靈活性，多采用DSP或?qū)Ｓ?單片機(jī) 等智能器件。但是，這樣在提高系統(tǒng)性能的同時(shí)卻增加了系統(tǒng)開發(fā)成本。為了設(shè)計(jì)一個(gè)高性能、低成本的開發(fā)平臺(tái)，針對(duì)應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)硬件的要求，考慮到 PIC18F452 單片機(jī)的高性價(jià)比，選用其作為主控器件。

PIC18F452 是 Microchip 公司推出的一款增強(qiáng)型 8 位 單片機(jī) ，采用精簡(jiǎn)指令集（ RISC ）的設(shè)計(jì)，有兩級(jí)流水線，最高運(yùn)行頻率可達(dá)到 10MIPS ，能夠滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求；指令總線 16 位寬，數(shù)據(jù)總線 8 位寬；單片機(jī)內(nèi)部有 32K 字節(jié)的 FLASH 程序存儲(chǔ)器， 1.5K 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和 256 字節(jié)的 EEPROM ，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展；自帶 8 × 8 硬件乘法器；中斷資源豐富，提供 18 個(gè)中斷源，兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，并且中斷優(yōu)先級(jí)可配置。 PIC18F452 單片機(jī)配備了豐富的外圍模塊，極大地簡(jiǎn)化了單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)。同時(shí)， Microchip 公司為 PIC18F 系列單片機(jī)提供了功能強(qiáng)大的指令集，共 77 條指令，絕大部分指令為單字（ 2 個(gè)字節(jié)）存儲(chǔ)，單周期執(zhí)行，應(yīng)用代碼的存儲(chǔ)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(jī) 實(shí)現(xiàn)；

② 電機(jī)的速度檢測(cè)，可根據(jù)位置信號(hào)利用軟件計(jì)算得來，故省略了速度傳感器；

③ 模擬輸入為電機(jī)的速度給定信號(hào)。

3． 嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)模式

對(duì)于簡(jiǎn)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(tái)系統(tǒng)（也叫無限循環(huán)系統(tǒng)）。

前后臺(tái)系統(tǒng)中，應(yīng)用程序就是一個(gè)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(tái)任務(wù)；中斷服務(wù)程序處理異步事件，這部分稱為前臺(tái)行為。因?yàn)橹袛喾?wù)程序提供的信息一直要等到后臺(tái)程序運(yùn)行到該處理這個(gè)信息時(shí)才得到處理，所以最壞情況下的任務(wù)響應(yīng)時(shí)間等于整個(gè)循環(huán)的執(zhí)行時(shí)間。因?yàn)楹笈_(tái)循環(huán)的執(zhí)行周期不是常數(shù)，所以基于前后臺(tái)模式的應(yīng)用軟件開發(fā)，雖然設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)單，但系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得不到保障。

為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，可以采用基于嵌入式實(shí)時(shí)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(gè)應(yīng)用細(xì)分為多個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)完成特定的功能，并被賦予一定的優(yōu)先級(jí)，擁有自己的任務(wù)控制塊和?？臻g。一般地，每個(gè)任務(wù)在程序結(jié)構(gòu)上都是一個(gè)無限循環(huán)，它有多個(gè)狀態(tài)——休眠態(tài)、就緒態(tài)、運(yùn)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(jí)任務(wù)先運(yùn)行，中斷服務(wù)程序可搶占 CPU ，中斷服務(wù)程序完成時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)核讓此時(shí)就緒態(tài)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)運(yùn)行（不一定是被中斷的任務(wù)）。可見，基于 RTOS 的軟件開發(fā)模式使系統(tǒng)的任務(wù)響應(yīng)時(shí)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(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的邏輯結(jié)構(gòu)；同時(shí)，由于有了 RTOS ，屏蔽了應(yīng)用軟件對(duì)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(kuò)展與硬件升級(jí)。

對(duì)于 PIC18F 系列 單片機(jī) ，目前常用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有：μ C/OS-II 、 Salvo 、 CMX 、 PIC18OS 等。它們都是可剝奪型的實(shí)時(shí)內(nèi)核，詳細(xì)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)，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(tái)。

4． 基于μ C/OS-II 的應(yīng)用軟件開發(fā)

μ C/OS-II 是一個(gè)可移植、可固化、可裁剪及可剝奪型的多任務(wù)實(shí)時(shí)內(nèi)核，應(yīng)用開發(fā)時(shí)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(gè)文件中，因此只要針對(duì)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(jī) 的幾種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

名稱

μ C/OS-II

Salvo

CMX

PIC18OS

版權(quán)

源碼公開的免費(fèi)實(shí)時(shí)內(nèi)核

商用實(shí)時(shí)內(nèi)核

商用實(shí)時(shí)內(nèi)核

源碼公開的免費(fèi)實(shí)時(shí)內(nèi)核

可靠性

可靠性高。通過了美國(guó) FAA 認(rèn)證。

可靠性高。

可靠性高。

未測(cè)試。

內(nèi)核大小

可裁剪。內(nèi)核 ROM 占用量最少 2K ， RAM 需求由具體應(yīng)用而定。

內(nèi)核小，可裁剪。 RAM 需求很小，一般每個(gè)任務(wù)需 4 ～ 12bytes ，每個(gè)事件需 3 ～ 4bytes 。

較大。

非常小。內(nèi)核 ROM 占用量小于 1K ， RAM 最少需求約 120bytes 。

系統(tǒng)服務(wù)

豐富。最多支持 64 個(gè)任務(wù)。支持信號(hào)量、事件標(biāo)志組、消息郵箱、消息隊(duì)列、時(shí)間管理、內(nèi)存管理等。

較豐富。

非常豐富。支持信號(hào)量、事件管理、消息郵箱、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理、設(shè)備管理、 TCP/IP 協(xié)議棧等。

少。最多支持 8 個(gè)任務(wù)，目前僅支持事件標(biāo)志，最多支持 8 個(gè)事件。

適用

硬件

平臺(tái)

非常廣泛，已經(jīng)被移植到了 40 多種 CPU 上（包括 PIC18F 系列 單片機(jī) ）。

較為廣泛，適用于 8051 系列 單片機(jī) 、 Microchip 的 8 位單片機(jī)、 TI 的 2000 系列 DSP 等。

非常廣泛，適用于多種型號(hào)的 8 位、 16 位、 32 位、 64 位處理器，支持大部分 DSP 。

目前僅支持 Microchip 公司的 PIC18F 系列 單片機(jī) 。

調(diào)試工具

較少

一般

非常豐富

少

備注

實(shí)際開發(fā)過程中可針對(duì)具體硬件優(yōu)化內(nèi)核，從而進(jìn)一步減少內(nèi)核代碼，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。

有三個(gè)版本， Salvo Lite 為免費(fèi)測(cè)試版， Salvo SE 為標(biāo)準(zhǔn)版， Salvo PRO 為增強(qiáng)版。

有兩個(gè)版本， CMX-RTX 為完全版， CMX-TINY+ 為簡(jiǎn)化版本。

基于 OSEK/VDX 標(biāo)準(zhǔn)，但目前僅實(shí)現(xiàn)了其 Operating System 部分。