μC/OS-II在壓力測控系統(tǒng)中的應(yīng)用
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)。針對色譜儀的研究也有很長的歷史[1]，而在色譜儀中，對壓力的檢測和控制是至關(guān)重要的。在文獻(xiàn) [2]中，作者設(shè)計(jì)的壓力測控裝置在各個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)升級方面有諸多不便，實(shí)時性能較差。由于每次升級系統(tǒng)的程序都要重寫，因此，其在成本方面相對較高，可移植性差。
鑒于上述原因，本文將采用嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng) µC/OS-II，µC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)是由美國人 Jean J.Labrosse先生編寫的，并在 2000年 7月在美國一個航空項(xiàng)目中的得到了美聯(lián)邦航空管理局對于商用飛機(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)動機(jī)控制以及自動提款機(jī)等等[4][5]。
文獻(xiàn)[2]中的壓力智能測控系統(tǒng)采用由美國 Cygnal公司生產(chǎn)的完全集成混合信號系統(tǒng)級芯片 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]，此處將不再對整個電路的設(shè)計(jì)過程作詳細(xì)描述，這里只加以說明。其硬件結(jié)構(gòu)下圖：
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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，給整個系統(tǒng)的安裝帶來方便。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，只需要在每個函數(shù)后邊加入關(guān)鍵字reentrant。
在本工程中，將用 #define KCREENTRANT large reentrant語句替換。即 KCREENTRANT代表的是大模式下可重入函數(shù)，該語句添加到 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， OS_STK定義為8位字長，修改相應(yīng)語句為 typedef unsigned char OS_STK。 CPU狀態(tài)寄存器為8位，修改相應(yīng)語句為 typedef unsigned char OS_CPU_SR。在C8051系統(tǒng)中用C語言代碼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的，因此相應(yīng)語句修改為： #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個簡單的匯編語言函數(shù)： OSStartHighRdy()、 OSCtxSw()、OSIntCtxSw()、OSTickISR()。由于 Silicon Laboratories IDE集成開發(fā)環(huán)境支持匯編語言開發(fā)，可以直接編寫匯編語言完成移植。 OSStartHighRdy()昀本質(zhì)的功能就是在 OSStart（）啟動任務(wù)時，通過 OSStartHighRdy()來恢復(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)級的切換工作，可說是操作系統(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，OSInitExit()和OSIntCtxSw()的返回地址已經(jīng)放在堆棧中了。
uC/OS-II要求用戶提供一個周期性的時鐘源，來實(shí)現(xiàn)時間的延遲和超時功能。為了完成該任務(wù)，采用C8051F041定時器0。時鐘節(jié)拍節(jié)拍定為 100次/s，時鐘節(jié)拍的啟動必須在開始多任務(wù)之后，即啟動函數(shù) OSStart()運(yùn)行之后，第一個任務(wù)運(yùn)行之前。因此，往往把時鐘的啟動放在第一個任務(wù)中，否則應(yīng)用程序會崩潰。 [!--empirenews.page--]
2.3 相關(guān)驅(qū)動的編寫及測試
2.3.1 C8051F041驅(qū)動的編寫
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。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：void PORT_Init (void);除此之外，還需編寫的驅(qū)動有 CAN接口的驅(qū)動 void CAN_Init(void)、 AD驅(qū)動 void AD_INIT(void)、DA驅(qū)動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 測試工作
在操作系統(tǒng)移植完成后，要測試操作系統(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。
這里將通過兩個端口連接兩個LED燈，通過編寫兩個不同優(yōu)先級的任務(wù)來實(shí)現(xiàn)。其中一個任務(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) } }
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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，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)偏差大于某個值的時實(shí)行比例控制，小于某個值時，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：
開始
∆u(k ) = Kp∆e(k ) + K ie(k )
+ Kd [∆e(k ) − e(k − 1)]
比例控制算法的增量如下： 計(jì)算偏差 e(k)=r(k)-y(k)
∆u(k) = Kp ∆e(k)
否
是
△e(k)=e(k)-e(k-1) 計(jì)算△e(k)=e(k)-e(k-1)
輸出控制量 u(k)+ △u(k)
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4 結(jié)束語
在色譜儀壓力檢測控制裝置中采用µC/OS-II嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)，很好提高了系統(tǒng)的可移植性和實(shí)時性，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)用于壓力測控裝置；在原有PID控制算法基礎(chǔ)上加入比例控制。
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