郭雙茂 馮 浩 周 參

(公安部第一研究所,北京 102200)

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采用微控制器操作系統(tǒng)的便攜式儀器設(shè)計

郭雙茂 馮 浩 周 參

(公安部第一研究所,北京 102200)

在分析研究了便攜式儀器裝置控制系統(tǒng)的特點及要求后，采用基于ARM最新Codex-M3內(nèi)核的STM32F103作為主控芯片，移植μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)作為整體設(shè)計方案，重點分析了如何通過采用實時操作系統(tǒng)編程的方法實現(xiàn)儀器所有系統(tǒng)功能。該方案應(yīng)用于某種便攜式射線源，采用分任務(wù)、分模塊設(shè)計思路，實現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集、存儲，工作參數(shù)可調(diào)，驅(qū)動相位自動調(diào)整，按鍵，LCD顯示，RS- 485通信等系統(tǒng)功能。應(yīng)用實驗結(jié)果證明，在便攜式儀器設(shè)計中采用微控制器操作系統(tǒng)是一種很好的選擇。

便攜式儀器 微控制器(MCU) μC/OS-II STM32 嵌入式操作系統(tǒng) LCD

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展、人口的增多，突發(fā)事件日益增多。由于突發(fā)事件具有突變性、不可預(yù)測性等特點，常規(guī)儀器又受到應(yīng)用場所、應(yīng)用環(huán)境的限制，已經(jīng)不能滿足當(dāng)時的形勢需要。便攜式儀器儀表由于其集成度高、功耗低、功能全面、操作簡單、機動性強、應(yīng)用迅速等特點得到了廣泛推薦和認(rèn)可[1]。

便攜式儀器的諸多優(yōu)點也給研制工作帶來了困難。在按要求完成主要功能的同時必須具有體積小、功耗低等特點[2]；在不損失性能的前提下，對系統(tǒng)的集成性提出要求；同時考慮到便攜式儀器的使用環(huán)境多為工業(yè)現(xiàn)場和野外等情況，對它的電磁兼容性、穩(wěn)定性、可靠性也有更高要求。

對于體積和功耗都有極高要求的便攜式儀器，嵌入式操作系統(tǒng)提供了很多附加功能，減小了系統(tǒng)的有效空間，縮短了開發(fā)周期，節(jié)約了開發(fā)成本，使便攜式儀器朝著高速度、高精度、高集成度、低功耗、高抗損壞性、便攜性、多外圍接口的方向迅速發(fā)展。

本文所設(shè)計的便攜式射線源具有控制系統(tǒng)任務(wù)多、實時性強、安全可靠性高、功能多等特點，采用基于ARM最新Codex-M3內(nèi)核的STM32F103作為主控芯片，移植μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)作為整體設(shè)計方案。重點分析如何通過基于實時操作系統(tǒng)編程的方法實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)所有的功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計

整個系統(tǒng)由兩大部分組成：硬件層、軟件層，其中軟件層包括實時操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件程序編寫。硬件層電路主要包括上電復(fù)位電路、存儲電路、LCD驅(qū)動電路、RS-485通信電路、按鍵輸入電路、聲光預(yù)警電路、D/A輸出電路、PWM驅(qū)動輸出電路等。操作系統(tǒng)層是整個系統(tǒng)上層控制和下層硬件的連接紐帶，系統(tǒng)中各功能主要有：存取外部存儲器中已保存的各項數(shù)據(jù)、驅(qū)動LCD顯示、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、驅(qū)動信號輸出、聲光預(yù)警、設(shè)定值保護、人機交互操作、與上位機通信等。這些功能按要求被分成幾組任務(wù)，操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)這些任務(wù)調(diào)度。

2 硬件設(shè)計

硬件原理框圖如圖1所示，其中核心控制芯片采用STM32F103VC。

圖1 硬件原理框圖

2.1 主控芯片STM32

STM32系列微處理器是意法半導(dǎo)體推出的高性能32位以Cortex-M3 為內(nèi)核的面向工業(yè)控制的處理器[3]。Cortex-M3 內(nèi)核是 ARM 公司推出的最新的基于 ARMv7 構(gòu)架的面向微控制領(lǐng)域的處理器內(nèi)核。本設(shè)計中共用了14個中斷。

STM32F103VC工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲器。豐富的I/O端口和外設(shè)，包括3個12位的ADC，提供15個采樣通道和多種采樣模式；擁有12通道DMA控制器， 4個通用16位定時器和2個PWM定時器；具有多種標(biāo)準(zhǔn)和先進的通信接口；采用LQFPl00封裝，提供80個GPIO，除了模擬輸入I/O，其他管腳可以承受5 V信號輸入。功耗低，在72 MHz時消耗36 mA(所有外設(shè)處于工作狀態(tài))，待機時下降到2 μA[5]。另外，STM32F103 微處理器內(nèi)部有一個 SysTick 定時器，應(yīng)用此定時器可在需要移植的操作系統(tǒng)中實現(xiàn)時鐘中斷，方便μC/OS-II的移植。本便攜式儀器控制系統(tǒng)共用了6路A/D采樣通道、1個SPI通信接口、2個定時器、2個PWM定時器、1個USART通信接口，加上其他控制信號量共用到了60個I/O口。選擇此款處理器不僅能完全滿足本系統(tǒng)要求，也為儀器的擴展升級打下了基礎(chǔ)

2.2 各功能模塊設(shè)計

鍵盤模塊采用薄膜按鍵構(gòu)成獨立鍵盤，電路上每個按鍵直接連接到STM32的I/O引腳上，程序上采用中斷的方式讀入鍵值；LCD選用8位并行數(shù)據(jù)傳輸接口的藍(lán)白單色屏[6]；為便于便攜式X射線源與其他安全檢查系統(tǒng)部件組合擴展，通信模塊選用芯片MAX3488構(gòu)成全雙工的RS- 485通信接口。由于高壓干擾因素，儀器工作時直接從高壓電路取樣所得到的高壓、束流信號并不是穩(wěn)定直流信號，而是隨著大功率驅(qū)動輸出波形變化的信號。為了能得到更強的有效直流信號，加入了一階低通濾波電路并改變?nèi)与娮璞壤?，使得取樣信號值在?guī)定范圍內(nèi)盡量大；并在軟件上根據(jù)信號波形特點選取合適的采樣周期，采用中位值平均濾波算法最終得到穩(wěn)定真實的高壓、束流采樣數(shù)字值。

存儲芯片選用單片機監(jiān)控芯片X25043。聲光預(yù)警、射線開關(guān)信號通過達(dá)林頓晶體管陣列驅(qū)動芯片ULN2003輸出；D/A輸出模塊選用帶反饋電壓輸出的4路12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC8412。系統(tǒng)的溫度傳感器要直接放在源內(nèi)，距高壓發(fā)生電路近，要求溫度傳感器的抗干擾能力很強，通過分析、實驗后最終采用型號為MF52B103G3950的NTC熱敏電阻[7]。

高壓功率驅(qū)動電路采用脈寬調(diào)制和推挽驅(qū)動相結(jié)合的方式。射線源高壓驅(qū)動頻率必須調(diào)整到最佳值以確保驅(qū)動電路效率最高。高壓驅(qū)動電路的頻率調(diào)整不佳或相位漂移是造成射線源信號不穩(wěn)或故障的原因之一。本文設(shè)計的X射線源由于工作參數(shù)需要在較寬范圍內(nèi)變化，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場合，因此其工作參數(shù)不固定、功率輸出變化范圍寬，存在頻率調(diào)整問題。本設(shè)計通過大量實驗得到射線源在不同高壓、束流下驅(qū)動諧振頻率值，然后創(chuàng)建一個二維數(shù)據(jù)表并利用STM32內(nèi)部定時器的PWM波功能最終實現(xiàn)了在不同工作參數(shù)狀態(tài)下諧振頻率的自動調(diào)整輸出。

3 軟件層設(shè)計

3.1 μC/OS-II實時操作系統(tǒng)

μC/OS-II實時操作系統(tǒng)的內(nèi)核結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 μCOS-II內(nèi)核結(jié)構(gòu)

μC/OS-II是由Labrosse編寫的一個源碼公開、可移植、可固化、可裁剪、占先式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)[8]。μC/OS-II操作系統(tǒng)將各種功能劃分為一個個任務(wù)，每個任務(wù)相對獨立，可以定義多達(dá)64個任務(wù)，足夠一般系統(tǒng)使用。任務(wù)之間以及任務(wù)與中斷服務(wù)程序之間可以調(diào)用信號量、消息郵箱、消息隊列、延時等系統(tǒng)服務(wù)來實現(xiàn)彼此通信和同步。這一切由操作系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度，分配資源，協(xié)調(diào)各個任務(wù)的運行。某一個任務(wù)出現(xiàn)問題也不會導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。同時，實時操作系統(tǒng)的移植使整個系統(tǒng)更加容易更新以及擴展新的功能，提高了系統(tǒng)的開放性和開發(fā)效率。

3.2 應(yīng)用軟件程序

為了使用戶方便地訪問STM32的各標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，并使用它們的所有特性，ST公司提供了免費的軟件包-固件庫。通過使用固件庫，無需深入掌握細(xì)節(jié)，就可以應(yīng)用每一個外設(shè)，大大減少用戶的程序編寫時間，進一步降低開發(fā)成本。本系統(tǒng)在底層硬件驅(qū)動程序編寫中使用了STM32F10xxx標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(StdPeriph—Lib)V3.0.0[10]。程序首先對系統(tǒng)時鐘、中斷和所用到的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)等進行配置，然后對X25043、LCD、DAC-8412等功能模塊進行初始化，板級驅(qū)動配置完成之后進行μC/OS-II 的初始化。

程序主要部分流程圖如圖3所示。

圖3 程序主要部分流程圖

本控制系統(tǒng)共劃分了4個任務(wù)：通信任務(wù)，優(yōu)先級為4；射線工作控制任務(wù)，優(yōu)先級為5；液晶屏顯示任務(wù)，優(yōu)先級為6；循環(huán)檢查任務(wù)，優(yōu)先級為7。軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 軟件結(jié)構(gòu)框圖

本文采用外部中斷的方式來觸發(fā)等待狀態(tài)的各項任務(wù)，通過郵箱的機制完成任務(wù)間通信。各任務(wù)具體描述如下。

3.2.1 通信任務(wù)

該任務(wù)實現(xiàn)了安全檢查系統(tǒng)中上位機對X射線源的完全控制。當(dāng)控制系統(tǒng)接收到上位機發(fā)送的指令后，系統(tǒng)進入串口中斷，在串口中斷服務(wù)子程序中向通信任務(wù)的郵箱發(fā)送消息，使其進入就緒狀態(tài)然后運行。上位機可以向便攜式X射線源控制系統(tǒng)發(fā)送各種指令，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作控制。系統(tǒng)所采用的RS-485通信方式與現(xiàn)有的安檢系統(tǒng)各部件間的通信方式一致，易于產(chǎn)品集成。

3.2.2 射線工作控制任務(wù)

該任務(wù)由按鍵或定時器TIM4中斷觸發(fā)，任務(wù)首先根據(jù)高壓、束流值查找二維數(shù)據(jù)表送出合適的驅(qū)動頻率，并將用戶輸入的高壓、束流值進行一定轉(zhuǎn)換。當(dāng)“開始鍵”按下，TIM4啟動計時，束流值通過DAC8412送出，同時蜂鳴器、指示燈以頻率1鳴叫閃爍進行X射線發(fā)射前預(yù)警。預(yù)警時間到后，X射線使能控制信號、高壓信號送出開始發(fā)射X射線，此時蜂鳴器、指示燈以頻率2鳴叫閃爍，警示正在發(fā)射X射線。當(dāng)X射線發(fā)射一段時間到達(dá)所設(shè)定的“曝光時間”時，TIM4再次觸發(fā)射線工作控制任務(wù)，該任務(wù)通過對標(biāo)志位的判定來關(guān)閉X射線的發(fā)射。

3.2.3 LCD顯示任務(wù)

該任務(wù)主要由按鍵中斷觸發(fā)。系統(tǒng)會根據(jù)鍵值和菜單號的不同在LCD上顯示不同的內(nèi)容，從而使操作者能更加直觀地對射線源的一些工作參數(shù)進行設(shè)置，并查看工作狀態(tài)的。該任務(wù)同時實現(xiàn)了LCD背景燈開關(guān)控制及喚醒功能。

3.2.4 循環(huán)檢查任務(wù)

該任務(wù)由定時器TIM3每500 ms調(diào)用一次。所執(zhí)行任務(wù)包括：射線發(fā)射時、射線停止時采樣系統(tǒng)溫度、高壓、束流、電池電壓等數(shù)據(jù)。當(dāng)采樣值與設(shè)定值相比出現(xiàn)異常時，立即采取相應(yīng)動作如不同頻率的聲光報警、LCD文字提示等。當(dāng)便攜式X射線源出現(xiàn)嚴(yán)重錯誤時，控制系統(tǒng)會禁止用戶再次發(fā)射X射線；對“看門狗”進行“喂狗”，以防止程序“跑非”或者死機；通過判定標(biāo)志位對工作參數(shù)、射線源總工作時間等關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行存儲。

4 結(jié)束語

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，改變了以往儀器系統(tǒng)的設(shè)計思路，它使儀器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加緊湊，模塊化更加明顯，有利于硬件的移植和軟件的再升級。本文以具有ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微處理器STM32F103VC為控制核心設(shè)計系統(tǒng)外圍硬件電路，移植實時操作系統(tǒng)μC/OS-II進行系統(tǒng)編程。系統(tǒng)充分利用μC/OS-II和STM32系列微處理器結(jié)合的優(yōu)勢，不僅實現(xiàn)了所需的各項功能，并且運行穩(wěn)定、安全、可靠。

目前，便攜式X射線源作為安檢系統(tǒng)中的一個重要模塊已經(jīng)開始使用。使用中發(fā)現(xiàn)，在野外等特殊工作環(huán)境中，整個安檢系統(tǒng)各模塊之間如單靠有線通信方式連接不便于各模塊的移動、連接等,如果在各模塊上增加無線通信方式如WiFi，不僅可省去連接通信信的麻煩，也會增加用戶現(xiàn)場操作的安全性。在后期產(chǎn)品改進中，將充分發(fā)揮本系統(tǒng)易升級、易擴展等優(yōu)點，加入無線通信模塊豐富其功能。

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Designing the Portable Instrument by using MCU and Operating System

Having been analyzing and researching the features and requirements of portable instruments,the design scheme based on latest Codex-M3 of ARM as the core and transplanted μC/OS-II embedded operating system is proposed.The implementation of all the functions by adopting the method of system programming based on RTOS is analyzed emphatically.The scheme is applied in certain portable X-ray source; the system functions including data collection and storage,adjustable working parameters,driving phase automatic adjustment,keypad,LCD display,RS- 485 communication,etc.,are implemented through the design concept of multitasking and modularization.The experimental results show that using MCU and μC/OS-II operating system is a better choice in designing portable instruments.

Portable instrument Micro chip unit(MCU) μC/OS-II STM32 Embedded operating system LCD

郭雙茂(1982-)，男，2010年畢業(yè)于北京信息科技大學(xué)測試計量技術(shù)及儀器專業(yè)，獲碩士學(xué)位，工程師；主要從事硬件設(shè)計方面的工作。

TP216;TH7

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201601023

修改稿收到日期：2014-12-17。