董 瑩

(青海民族大學(xué), 青海 西寧 810007)

0 引 言

ARM處理器以其體積小、低耗能、成本低、性能高等優(yōu)勢(shì)廣泛占領(lǐng)了在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域。μC/OS-II 提供了如郵箱、隊(duì)列、信號(hào)量、固定大小的內(nèi)存分區(qū)等多項(xiàng)系統(tǒng)服務(wù)并在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域、發(fā)動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備領(lǐng)域、自動(dòng)提款機(jī)設(shè)置領(lǐng)域及工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)領(lǐng)域等諸多生活以及工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。王燕東等人(2016)提出了三路步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，在提高基礎(chǔ)系統(tǒng)的實(shí)用性以及后期拓展功能的前提之下，完善了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，提高了系統(tǒng)的可控性以及穩(wěn)定性[1]。常博博等人(2017)介紹了控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程，針對(duì)不同的控制對(duì)象，將ARM技術(shù)應(yīng)用于不同控制系統(tǒng)中，并提出了SoC功能的控制系統(tǒng)實(shí)際工作情況，并對(duì)芯片處理器的優(yōu)勢(shì)做出簡(jiǎn)單介紹[2]。張金玲等人(2017)將ARM技術(shù)應(yīng)用于傳感器控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，從而完成了控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中對(duì)于機(jī)器的轉(zhuǎn)速以及電流調(diào)控[3]。綜上所示，目前ARM技術(shù)在步進(jìn)電機(jī)控制中的設(shè)計(jì)研究目前處于空白狀態(tài)，筆者主要研究ARM處理器及其編程模型，及嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)μC/OS-II在ARM上的移植，并在此平臺(tái)上進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)，控制步進(jìn)電機(jī)啟停、正反轉(zhuǎn)及加減速。

1 μC/OS-II在ARM上的移植

1.1 OS_CPU.h的項(xiàng)目移植

μC/OS-II在應(yīng)用于某一類(lèi)特定處理器時(shí)的移植工作將工作重點(diǎn)設(shè)置在多任務(wù)切換上，這是由于計(jì)算機(jī)設(shè)備的讀寫(xiě)寄存器是不能采用C語(yǔ)言完成代碼保存與恢復(fù)工作的，也有一部分計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)只允許利用特定的處理器匯編語(yǔ)言來(lái)恢復(fù)處理器現(xiàn)場(chǎng)，在這兩類(lèi)情況發(fā)生時(shí)，需要采取μC/OS-II移植到ARM處理器的方式來(lái)解決問(wèn)題，這一處理方式只需要修改三個(gè)與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的數(shù)據(jù)文件即可達(dá)到效果。數(shù)據(jù)文件是來(lái)定義堆棧單位的，步進(jìn)定義了需要保護(hù)以及恢復(fù)的數(shù)據(jù)類(lèi)型，還提出了文件需要與寄存器長(zhǎng)度一致的要求。處理器的堆棧增長(zhǎng)方式有兩種：從上向下和從下向上。此處選擇1表示從上向下增長(zhǎng)(高地址到低地址)，反之0表示從下向上增長(zhǎng)。

1.2 OS_CPU.c的項(xiàng)目移植

OS_CPU.c的項(xiàng)目移植工作由三個(gè)工作步驟組成，第一步需要完成任務(wù)堆棧初始化，這一步主要是通過(guò)調(diào)用OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()這兩個(gè)具體函數(shù)來(lái)完成。第二部需要利用ARM體系結(jié)構(gòu)，保存任務(wù)堆?？臻g的初始化數(shù)據(jù)。第三步，在初始化工作結(jié)束后，需要將OSTaskStkInit()函數(shù)撤回到新的堆棧任務(wù)中，并完成任務(wù)的保存。OSTaskStkInit()初始化后的堆棧內(nèi)容如圖1所示。

圖1 OSTaskStkInit()初始化后的堆棧內(nèi)容關(guān)系

1.3 OS_CPU_A.s的項(xiàng)目移植

OS_CPU_A.s的項(xiàng)目移植共分為以下幾步：首先需要確定時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)函數(shù)，這一函數(shù)主要是用來(lái)確定系統(tǒng)的額外開(kāi)銷(xiāo)工作的，時(shí)鐘節(jié)拍率與系統(tǒng)的額外開(kāi)銷(xiāo)呈正比關(guān)系。本次測(cè)試所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用S3C2410的timer 0作為時(shí)鐘節(jié)拍源。其次，需要進(jìn)行OSTimeTick()函數(shù)的調(diào)用，如果在系統(tǒng)工作的過(guò)程中有優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)插入，則需要中斷嵌套的最后一層。最后需要退出臨界區(qū)域，而宏ARMDisableInt需要在系統(tǒng)進(jìn)入臨界狀態(tài)之前關(guān)閉中斷狀態(tài)，在系統(tǒng)退出臨界區(qū)時(shí)重新恢復(fù)中斷狀態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

2.1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)

設(shè)計(jì)選用二相四拍步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)使用控制換相順序的方式來(lái)完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，由于所使用的S3C2410 的GPIO驅(qū)動(dòng)能力有限，所以使用ULN2003達(dá)林頓集成驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。ULN2003是高耐壓、大電流、內(nèi)部由七個(gè)硅NPN達(dá)林頓管組成的驅(qū)動(dòng)芯片，其每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7KΩ的基極電阻。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求信號(hào)必須為脈沖信號(hào)，沒(méi)有脈沖的時(shí)候，步進(jìn)電機(jī)靜止，如果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就會(huì)以一定的角度轉(zhuǎn)動(dòng)，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度與釋放的脈沖的頻率呈正比。ULN2003內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 ULN2003內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

ULN2003是大電流驅(qū)動(dòng)陣列，多用于單片機(jī)、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出等控制電路中，可直接驅(qū)動(dòng)繼電器等負(fù)載。ULN2003芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳如圖3所示。系統(tǒng)中的步進(jìn)電機(jī)的四相(實(shí)際工作模式為二相四拍)由0x28000006的bit0～bit3控制，bit0對(duì)應(yīng)于MOTOR_A，bit1對(duì)應(yīng)于MOTOR_B,bit2對(duì)應(yīng)于MOTOR_C，bit3對(duì)應(yīng)于MOTOR_D。通過(guò)編制脈沖分配控制步進(jìn)電機(jī)。

圖3 ULN2003芯片引腳

2.2 控制程序設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)

系統(tǒng)在μC/OS-II平臺(tái)上，設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的控制程序，能夠控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和停止、電機(jī)正反轉(zhuǎn)和電機(jī)轉(zhuǎn)速。

1)步進(jìn)電機(jī)使能控制函數(shù)，啟動(dòng)或停止步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。其參數(shù)可以為STEP_ MOTOR_ ENABLE或STEP_MOTOR_DISABLE。

2)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中使用的步進(jìn)電機(jī)工作模式為二相四拍。采用整步模式，該模式下的步距角為1.8°，正轉(zhuǎn)相序?yàn)椋?101-1001-1010-0110-0101，則反轉(zhuǎn)相序就為：0101-0110-1010-1001-0101。

3)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。設(shè)置步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為每步l0ms，值越小，速度越快。

由主函數(shù)Main()建立兩個(gè)任務(wù)TaskSTEP和TaskSEG，優(yōu)先級(jí)分別為5和13。從串口打印輸出任務(wù)運(yùn)行的信息。TaskSTEP任務(wù)輸出提示信息，控制步進(jìn)電機(jī)的起停、正反轉(zhuǎn)和加減速。TaskSEG任務(wù)輸出程序運(yùn)行時(shí)的信息，同時(shí)控制數(shù)碼管。系統(tǒng)主函數(shù)Main，用來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)板的初始化，操作系統(tǒng)的初始化，建立任務(wù)等，OSStart()函數(shù)是操作系統(tǒng)啟動(dòng)函數(shù)，該函數(shù)永遠(yuǎn)不會(huì)返回，在調(diào)用OSStart()之前必須先調(diào)用OSInit()函數(shù)。高優(yōu)先級(jí)的函數(shù)TaskSTEP()，用來(lái)啟動(dòng)時(shí)鐘節(jié)拍定時(shí)器，開(kāi)始多任務(wù)調(diào)度，從串口打印輸出任務(wù)運(yùn)行的信息，初始化步進(jìn)電機(jī)，開(kāi)始啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，根據(jù)按鍵來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和停止、電機(jī)正反轉(zhuǎn)和電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3 結(jié) 論

為實(shí)現(xiàn)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II的移植，通過(guò)修改三個(gè)和體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的文件，使得μC/OS-II成功移植到μC/OS-II到S3C2410處理器上。在研究中，通過(guò)對(duì)ARM及S3C2410處理器、系統(tǒng)硬件模塊、系統(tǒng)硬件資源分配以及步進(jìn)電機(jī)的研究，完成硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。完成了步進(jìn)電機(jī)，掃描鍵盤(pán)電路的設(shè)計(jì)。軟件部分，完成了電機(jī)模塊、鍵盤(pán)模塊、數(shù)碼管模塊功能實(shí)現(xiàn)的程序設(shè)計(jì)。這樣移植就成功了，并控制步進(jìn)電機(jī)啟停、正反轉(zhuǎn)以及加減速，完成了步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。