【文章內容簡介】 11倍后送入DSP的AD采樣通道，DSP將實際中的模擬量通過AD模塊轉換成相應的數(shù)字量，最后通過計算，判斷獲得希望的控制模式。由于DSP的管腳耐壓值有限，電壓經(jīng)運算放大器放大后，可能超出正常范圍，所以在DSP的管腳輸入端接有二極管限幅電路，使得當DSP管腳處電壓輸入過大時被有效的限制在允許的范圍內。圖 313 電流檢測模塊 故障報警模塊當系統(tǒng)出項故障時，DSP在完成系統(tǒng)停機保護的同時，輸出GPIO端口將發(fā)出高電平，Q2三極管導通，故障燈與響鈴同時得電，發(fā)出聲光報警提示用戶。如圖313所示。圖 314 故障報警模塊 編程與仿真接口可以通過串行接口RS232進行通訊及仿真，方便了嵌入式程序的編輯與調試。如圖315所示。圖 315 編程及仿真接口第4章 系統(tǒng)程序設計 嵌入式實時操作系統(tǒng)1. 嵌入式實時操作系統(tǒng)概念嵌入式實時操作系統(tǒng)(Embedded RealTime Operating System)是一種實時的、支持嵌入式系統(tǒng)應用的操作系統(tǒng)軟件，它是嵌入式系統(tǒng)(包括硬、軟件系統(tǒng))極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關的底層驅動軟件、系統(tǒng)內核、設備驅動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標準化瀏覽器等。嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點，如能夠有效管理越來越復雜的系統(tǒng)資源。能夠把硬件虛擬化，使得開發(fā)人員從繁忙的驅動程序移植和維護中解脫出來，能夠提供庫函數(shù)、驅動程序、工具集以及應用程序。嵌入式實時操作系統(tǒng)負責嵌入系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、調度作業(yè)，控制、協(xié)調并發(fā)活動，它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達到系統(tǒng)所要求的功能[13]。2. 嵌入式實時操作系統(tǒng)的開發(fā)方式由于嵌入式應用軟件的特殊性，往往要求應用程序設計者具有一定的實時操作系統(tǒng)的專門知識，能合理地劃分任務，合理地配置系統(tǒng)以及目標聯(lián)機的調試。因此，要設計實現(xiàn)一個高性能的實時應用軟件，需有強有力的交叉開發(fā)工具系統(tǒng)的支持。開發(fā)平臺稱為宿主機，應用系統(tǒng)稱作目標機。宿主機與目標機可采用相同或不相同的機型.。，在這種獨立的實時軟件開發(fā)系統(tǒng)上，應配備完整的實時軟件開發(fā)的工具，如高級語言、在線調試器和在線仿真器等。宿主機和目標機之間通過網(wǎng)絡、串口或其它方式相連，一般來說這個網(wǎng)絡和串口是目標機的一部分，要占用目標機用戶的部分資源，用戶必須給操作系統(tǒng)提供相應的驅動程序。在進行應用軟件調試之前必須要保證目標機的硬件系統(tǒng)能夠正常運行，宿主機的應用程序代碼可以下載到目標機中去，而且有關設備的驅動程序需調試正確。因此，嵌入式實時軟件開發(fā)過程較為復雜[14]。RTOS對于開發(fā)單位和開發(fā)者個人來說也是一種提高。引入RTOS的開發(fā)單位，相當于引入了一套行業(yè)中廣泛采用的嵌入式系統(tǒng)應用程序開發(fā)標準，使開發(fā)管理更簡易、有效。基于RTOS和C語言的開發(fā)，具有良好的可繼承性，在應用程序、處理器升級以及更換處理器類型時，現(xiàn)存的軟件大部分可以不經(jīng)修改地移植過來(據(jù)專家預測，優(yōu)秀RTOS上跨處理器平臺的程序移植只需要修改l4%的內容)。對于開發(fā)人員來說，則相當于在程序設計中采用一種標準化的思維方式，提高知識創(chuàng)造的效率。同時因為具有類似的思路，可以更快地理解同行其它人員的創(chuàng)造成果[15]。3. 嵌入式實時操作系統(tǒng)內核嵌入式實時操作系統(tǒng)中最關鍵的部分是實時多任務內核。它主要實現(xiàn)任務管理、定時器管理、存儲器管理、任務間通信與同步、中斷管理等功能。如何實現(xiàn)一個效率高，體積小，移植功能強大，易于定制的實時操作系統(tǒng)內核是開發(fā)嵌入式操作系統(tǒng)的關鍵問題[16]。 μC/OS—Ⅱ的基本功能介紹本設計將重點運用μC/OS—Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)作為軟件開發(fā)平臺，進行應用系統(tǒng)軟件的設計。1. μC/OS—Ⅱ的初始化和啟動在調用μC/OS—Ⅱ的其他服務之前，μC/OS—Ⅱ總要求用戶首先調用系統(tǒng)初始化函數(shù)OSInit()，完成對μC/OS—Ⅱ中一些變量和數(shù)據(jù)結構的初始化。μC/OS—Ⅱ還初始化了4個空數(shù)據(jù)結構緩沖區(qū)。每個緩沖區(qū)都是單向鏈表，允許μC/OS—Ⅱ從緩沖區(qū)迅速得到或釋放一個其中的元素。μC/OS—Ⅱ安排總的系統(tǒng)任務數(shù)OS_N_SYS_TASKS，控制塊OSTCB的數(shù)目也就自動確定了。當然，包括組合結構的任務控制塊分配給空閑任務和統(tǒng)計任務。多任務的啟動是用戶通過調用OSStart()實現(xiàn)的。然而，啟動μC/OS—Ⅱ前，用戶至少要建立一個應用任務。當調用OSStart()時，OSStart()從任務就緒表中找出那個用戶建立的優(yōu)先級最高任務的任務控制塊。然后，OSStart()調用最高優(yōu)先級就緒任務啟動函數(shù)OSStartHighRdy()，這個文件與選擇的微處理器有關。實質上，函數(shù)OSStartHighRdy()是將任務棧中保存的值彈回到CPU寄存器中，然后執(zhí)行一條中斷返回指令，中斷返回指令強制執(zhí)行該任務代碼。注意，OSStartHighRdy ()將永遠不會返回到OSStart()。2. 任務管理在μC/OS—Ⅱ中，任務通常是一個無限的循環(huán)，任務是絕對不會返回的。故返回參數(shù)必須定義成void。協(xié)μC/OS—Ⅱ可管理多達64個任務，但μC/OS—Ⅱ保留了優(yōu)先級為0、2的任務?？晒┯脩羰褂玫挠卸噙_56個應用任務。必須給每個任務賦以不同的優(yōu)先級，μC/OS—Ⅱ初始化時，最低優(yōu)先級總是被賦給空閑任務。為了使μC/OS—Ⅱ能夠管理用戶任務，用戶必須在建立一個任務的時候，將任務的起始地址與其他參數(shù)一起傳給OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()函數(shù)。每個任務的就緒標志都放在就緒表(ready1ist)中，就緒表中有兩個變量OSRdyGrp和OSRdyTbl[]。在OSRdyGrp中，任務按優(yōu)先級分組，8個任務即為一組。OSRdyGrp中的每一位表示8組任務中每一組中是否有進入就緒狀態(tài)的任務，任務進入就緒態(tài)，就緒表OSRdyTbl[]中相應元素的相應位也置位。在μC/OS—Ⅱ中，確定該哪個任務運行的工作是由調度器(scheduler)完成的。任務級的調度是由函數(shù)OSSched()完成的。任務切換很簡單，將被掛起任務的微處理器存儲器推入堆棧，然后將較高優(yōu)先級的任務的寄存器值從棧中恢復到寄存器中。OSSched()的所有代碼都屬于臨界區(qū)代碼。在尋找進入就緒態(tài)的最高優(yōu)先級的任務的過程中，為防止中斷服務程序把一個或幾個任務的就緒位置位，中斷是被關掉的。3. 常用的任務管理函數(shù)OSTaskDel()用于將任務返回并處于休眠態(tài)，其代碼不再被μC/OS—Ⅱ調用，也就是刪除任務。刪除空閑任務和在中斷服務子程序中(ISR)刪除一個任務是不允許的，但可以刪除統(tǒng)計任務?？赏ㄟ^指定OS_PRIOSELF參數(shù)來刪除自己。OSTaskChangePrio()用來改變建立任務的時候分配給任務的優(yōu)先級。用戶需要指定任務當前的優(yōu)先級和新的優(yōu)先級。OSTasksuspend()用來掛起任務。如果被掛起的任務同時也在等待延時的期滿，則掛起操作需要被取消，任務繼續(xù)等待延時期滿，并轉入就緒態(tài)。任務可掛起自己或其他任務，但必須確保不是在掛起優(yōu)先級是無效的任務或空閑任務。OSTaskResume()用于恢復被掛起的任務。OSTaskResume()首先要確保被恢復的任務不是空閑任務，這個測試也是在恢復優(yōu)先級為OS_RIO_SELF的任務。接著，檢查要恢復的任務是否存在，是否是被掛起的。OSTaskQuery()用來獲得自身或其他應用任務的信息。OSTaskQuery()獲得的是對應任務的OS_TCB中內容的拷貝。4. 時間管理μC/OS—Ⅱ一日的時鐘節(jié)拍μC/OS—Ⅱ需要用戶提供周期性信號源，用于實現(xiàn)延時和確認超時。時鐘節(jié)拍的實際頻率取決于用戶應用程序的精度。時鐘節(jié)拍源可以采用嵌入式處理器的硬件定時器。μC/OS—Ⅱ中的時鐘節(jié)拍服務是通過在中斷子程序中調用OSTimeTick()實現(xiàn)的。時鐘節(jié)拍中斷服務子程序的代碼必須用匯編語言編寫。OSTimeTiekHook()開始，這個外連函數(shù)可以將時鐘節(jié)拍函數(shù)OSTimeTiek()予以擴展。OSTiIneTiok()中大量工作是給每個用戶任務控制塊OS_TCB中的時間延時項OSTCBDly減1(該項不為零時)。OSTimeTiek()從OSTCBList開始，沿著OS_TCB鏈表做，一直到空閑任務。當某個任務的任務控制塊中的時間延時項OSTCBDly減到了零，這個任務就進入就緒態(tài)。被任務掛起函數(shù)OSTasksuspend()掛起的任務則不會進入就緒態(tài)。OSTimeTiek()的執(zhí)行時間直接與應用程序中建立的任務數(shù)成正比。5. 郵箱郵箱是協(xié)μC/OS—Ⅱ中一種通信機制，它可使一個任務或者中斷服務子程向另一個任務發(fā)送一個指針型變量。該指針指向一個包含了特定“消息”的數(shù)據(jù)結構。要在μC/OS—Ⅱ中使用郵箱。使用郵箱前，必須先建立該郵箱，并指定指針初始值。OS_M如果郵箱用來通知一個事件的發(fā)生，就要初始化該郵箱為NULL。如果郵箱用來共享某些資源，就要初始化該郵箱為一個非NULL的指針。6. μC/OS—Ⅱ的中斷處理下面我們來了解一下在協(xié)μC/OS—Ⅱ中是如何處理中斷的。在用戶中斷服務子程序中，用戶代碼應該將全部CPU寄存器推入當前任務棧。μC/OS—Ⅱ需要知道用戶在做中斷服務，故用戶應該調用OSIntEnter()，或者將全局變量OSIntNesting直接加1，這兩種方法的選擇取決于用戶的微處理器。因為，如果用戶使用的微處理器有存儲器直接加1指令，用將全局變量OSIntNesting直接加1的方法比調用OSIntEnter()快得多。但如果用戶使用的微處理器沒有這樣的指令，就必須先將OSIntNesting讀入寄存器，再將寄存器加l，然后再寫回到變量OSIntNesting中去，這種情況下調用OSIntEnter()更簡單。要當心的是，有些情況下，從OSIntEnter()返回時，會把中斷開了。這時，在調用OS1ntEnter()前要先清中斷源，否則，中斷會連續(xù)反復發(fā)生，程序就會崩潰。μC/OS—Ⅱ允許中斷嵌套，因為μC/OS—Ⅱ跟蹤嵌套層數(shù)OSIntNesting。然而，為了允許中斷嵌套，在多數(shù)情況下，用戶應在開中斷前先清中斷源。調用脫離中斷函數(shù)OS1ntExit()標志中斷服務子程序的終結， OSIntExit()將中斷嵌套層數(shù)計數(shù)器減1。當中斷嵌套層數(shù)計數(shù)器減到O時，所有中斷就都完成了，此時μC/OS—Ⅱ要判斷有沒有優(yōu)先級較高的任務被中斷服務子程序喚醒了。如果有，μC/OS—Ⅱ就返回到那個高優(yōu)先級的任務， OSIntExit()返回到調用點，此時OSIntExit()將占用較長的運行時間。保存的寄存器的值是在這個時候恢復的，然后是執(zhí)行中斷返回指令。注意，如果調度被禁止了，μC/OS—Ⅱ將被返回到被中斷了的任務。用戶中斷服務中做的要盡可能少，要把大部分工作留給任務做。如果需要做任務切換，OSIntExit()將調用OSIntctxsw()[17]。 μC/OS—Ⅱ實現(xiàn)對智能電梯控制系統(tǒng)的管理主控制器在硬件設計上要求嵌入式微處理器及外圍邏輯、驅動和接口電路具有快速處理、高度集成和抗干擾的性能。在軟件設計上原來采用的“前后臺系統(tǒng)”的編程方式實時性較差，對那些實時性要求高的任務不可能立刻得到處理，最壞情況下的任務的響應時間取決于整個后臺循環(huán)的執(zhí)行時間，因為循環(huán)一圈的執(zhí)行時間不是常數(shù)，程序經(jīng)過某一點的準確時間也就不能確定。程序修改了，循環(huán)時序也會受影響。而且在流程的任何一處因某種意外不能正常工作，整個系統(tǒng)就會“死機”[18]。考慮到這些情況，有必要在電梯控制系統(tǒng)中引入嵌入式實時操作系統(tǒng)作為軟件開發(fā)平臺，本文選用的嵌入式實時操作系統(tǒng)是源碼公開、成熟的協(xié)μC/OS—Ⅱ。在電梯控制系統(tǒng)中使用嵌入式實時操作系統(tǒng)協(xié)μC/OS—Ⅱ，可以將應用程序分解成多任務，簡化了應用系統(tǒng)軟件的設計。使得電梯控制系統(tǒng)的實時性得到保證，而且良好的多任務設計，有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。下面將介紹電梯主控制器各個功能模塊及如何采用μC/OS—Ⅱ對各個功能模塊的管理[19]。 主程序流程電梯控制系統(tǒng)控制策略與方法以流程圖表示，如圖41所示。圖41電梯控制系統(tǒng)主程序流程圖 初始化模塊初始化模塊是電梯控制系統(tǒng)初始運行部分，負責初始化系統(tǒng)的各種參數(shù)，根據(jù)情況把電梯設置成一種初始上電運行狀態(tài)。初始化模塊包括：(1) DSP系統(tǒng)初始化函數(shù)SYS_INIT()。完成DSP系統(tǒng)的配置寄存器和接口模塊時鐘控制。主要包括系統(tǒng)控制和狀態(tài)寄存器、中斷優(yōu)先級和中斷向量表、外設中斷擴展控制器、中斷向量、CPU中斷寄存器、外設中斷寄存器等。(2) 定時器初始化函數(shù)EVB_init()。DSP有四個通用定時器，選擇定時器3做為整個軟件程序定時的基準。完成定時器內外時鐘的選擇，設置可編程定標器的初值，選擇計數(shù)時鐘頻率，計數(shù)模式等，并向操作系統(tǒng)時鐘節(jié)拍函數(shù)OSTimeTick()提供基本計時單位。完成初始化各個定時標志的初始化的工作。(3) 光電編碼器初始化函數(shù)EVA_init()。選擇定時器2作為光電編碼器輸入脈沖處理的基本時鐘信號。完成正交編碼信號計數(shù)模式，計數(shù)方向等。(4) I/O初始化函數(shù)I幾init()。在電梯上電的的初始狀態(tài)，系統(tǒng)的I/O狀態(tài)是隨機的，這樣對電梯造成的極大的危險。I/O初始化主要是根據(jù)初始情況設置I/O口的輸入輸出狀態(tài)，是電梯達到一個比較穩(wěn)定、安全的狀態(tài)。(5) 復雜可編程邏輯器件(CPLD)接口初始化函數(shù)Cpld_Init()。數(shù)字信號處理器(DSP)通過數(shù)據(jù)總線向CPLD輸出初始狀態(tài)數(shù)據(jù)，完成CPLD初始化。(6) CAN控制器的初始化CAN_init()。對DSp320LF2407中的CAN控制段中的寄存器進行初始化，設置CAN控制器的波特率、各個郵箱的功，接收屏蔽碼等。(7) 串行通信接口初始化函數(shù)SCI_init()。主控制器與液晶顯示模塊采用串行通信接口進行通訊。完成串行通信口可編程的數(shù)據(jù)格式、波特率的設置等。(8) 串行外設接口初始化函數(shù)SPI_init()。主控制器采用串行外設接口 (SPI)對串行EEPR伽管理，用于系統(tǒng)斷電后非易失數(shù)據(jù)保存。初始化函數(shù)完成完成串行外設接口可編程的數(shù)據(jù)格式、波