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(jì)

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(diǎn)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(jì)方案，重點(diǎn)分析了如何通過采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)編程的方法實(shí)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(jì)思路，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)，工作參數(shù)可調(diào)，驅(qū)動(dòng)相位自動(dòng)調(diào)整，按鍵，LCD顯示，RS- 485通信等系統(tǒng)功能。應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在便攜式儀器設(shè)計(jì)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(guó)經(jīng)濟(jì)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(cè)性等特點(diǎn)，常規(guī)儀器又受到應(yīng)用場(chǎng)所、應(yīng)用環(huán)境的限制，已經(jīng)不能滿足當(dāng)時(shí)的形勢(shì)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(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、應(yīng)用迅速等特點(diǎn)得到了廣泛推薦和認(rèn)可[1]。

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

對(duì)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(jì)的便攜式射線源具有控制系統(tǒng)任務(wù)多、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、安全可靠性高、功能多等特點(diǎn)，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(jì)方案。重點(diǎn)分析如何通過基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)編程的方法實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)所有的功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由兩大部分組成：硬件層、軟件層，其中軟件層包括實(shí)時(shí)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(chǔ)電路、LCD驅(qū)動(dòng)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(dòng)輸出電路等。操作系統(tǒng)層是整個(gè)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(chǔ)器中已保存的各項(xiàng)數(shù)據(jù)、驅(qū)動(dòng)LCD顯示、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出、聲光預(yù)警、設(shè)定值保護(hù)、人機(jī)交互操作、與上位機(jī)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(jì)

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(jì)中共用了14個(gè)中斷。

STM32F103VC工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器。豐富的I/O端口和外設(shè)，包括3個(gè)12位的ADC，提供15個(gè)采樣通道和多種采樣模式；擁有12通道DMA控制器， 4個(gè)通用16位定時(shí)器和2個(gè)PWM定時(shí)器；具有多種標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口；采用LQFPl00封裝，提供80個(gè)GPIO，除了模擬輸入I/O，其他管腳可以承受5 V信號(hào)輸入。功耗低，在72 MHz時(shí)消耗36 mA(所有外設(shè)處于工作狀態(tài))，待機(jī)時(shí)下降到2 μA[5]。另外，STM32F103 微處理器內(nèi)部有一個(gè) SysTick 定時(shí)器，應(yīng)用此定時(shí)器可在需要移植的操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)時(shí)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(gè)SPI通信接口、2個(gè)定時(shí)器、2個(gè)PWM定時(shí)器、1個(gè)USART通信接口，加上其他控制信號(hào)量共用到了60個(gè)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(kuò)展升級(jí)打下了基礎(chǔ)

2.2 各功能模塊設(shè)計(jì)

鍵盤模塊采用薄膜按鍵構(gòu)成獨(dú)立鍵盤，電路上每個(gè)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(kuò)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(shí)直接從高壓電路取樣所得到的高壓、束流信號(hào)并不是穩(wěn)定直流信號(hào)，而是隨著大功率驅(qū)動(dòng)輸出波形變化的信號(hào)。為了能得到更強(qiáng)的有效直流信號(hào)，加入了一階低通濾波電路并改變?nèi)与娮璞壤沟萌有盘?hào)值在規(guī)定范圍內(nèi)盡量大；并在軟件上根據(jù)信號(hào)波形特點(diǎn)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(shí)的高壓、束流采樣數(shù)字值。

存儲(chǔ)芯片選用單片機(jī)監(jiān)控芯片X25043。聲光預(yù)警、射線開關(guān)信號(hào)通過達(dá)林頓晶體管陣列驅(qū)動(dòng)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(qiáng)，通過分析、實(shí)驗(yàn)后最終采用型號(hào)為MF52B103G3950的NTC熱敏電阻[7]。

高壓功率驅(qū)動(dòng)電路采用脈寬調(diào)制和推挽驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的方式。射線源高壓驅(qū)動(dòng)頻率必須調(diào)整到最佳值以確保驅(qū)動(dòng)電路效率最高。高壓驅(qū)動(dòng)電路的頻率調(diào)整不佳或相位漂移是造成射線源信號(hào)不穩(wěn)或故障的原因之一。本文設(shè)計(jì)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(chǎng)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(jì)通過大量實(shí)驗(yàn)得到射線源在不同高壓、束流下驅(qū)動(dòng)諧振頻率值，然后創(chuàng)建一個(gè)二維數(shù)據(jù)表并利用STM32內(nèi)部定時(shí)器的PWM波功能最終實(shí)現(xiàn)了在不同工作參數(shù)狀態(tài)下諧振頻率的自動(dòng)調(diào)整輸出。

3 軟件層設(shè)計(jì)

3.1 μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

μC/OS-II實(shí)時(shí)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(gè)源碼公開、可移植、可固化、可裁剪、占先式實(shí)時(shí)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(gè)個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)相對(duì)獨(dú)立，可以定義多達(dá)64個(gè)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(hào)量、消息郵箱、消息隊(duì)列、延時(shí)等系統(tǒng)服務(wù)來實(shí)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(gè)任務(wù)的運(yùn)行。某一個(gè)任務(wù)出現(xiàn)問題也不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的移植使整個(gè)系統(tǒng)更加容易更新以及擴(kuò)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(fèi)的軟件包-固件庫(kù)。通過使用固件庫(kù)，無需深入掌握細(xì)節(jié)，就可以應(yīng)用每一個(gè)外設(shè)，大大減少用戶的程序編寫時(shí)間，進(jìn)一步降低開發(fā)成本。本系統(tǒng)在底層硬件驅(qū)動(dòng)程序編寫中使用了STM32F10xxx標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)(StdPeriph—Lib)V3.0.0[10]。程序首先對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、中斷和所用到的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)等進(jìn)行配置，然后對(duì)X25043、LCD、DAC-8412等功能模塊進(jìn)行初始化，板級(jí)驅(qū)動(dòng)配置完成之后進(jìn)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(gè)任務(wù)：通信任務(wù)，優(yōu)先級(jí)為4；射線工作控制任務(wù)，優(yōu)先級(jí)為5；液晶屏顯示任務(wù)，優(yōu)先級(jí)為6；循環(huán)檢查任務(wù)，優(yōu)先級(jí)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(xiàng)任務(wù)，通過郵箱的機(jī)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(shí)現(xiàn)了安全檢查系統(tǒng)中上位機(jī)對(duì)X射線源的完全控制。當(dāng)控制系統(tǒng)接收到上位機(jī)發(fā)送的指令后，系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)入就緒狀態(tài)然后運(yùn)行。上位機(jī)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(shí)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(shí)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(dòng)頻率，并將用戶輸入的高壓、束流值進(jìn)行一定轉(zhuǎn)換。當(dāng)“開始鍵”按下，TIM4啟動(dòng)計(jì)時(shí)，束流值通過DAC8412送出，同時(shí)蜂鳴器、指示燈以頻率1鳴叫閃爍進(jìn)行X射線發(fā)射前預(yù)警。預(yù)警時(shí)間到后，X射線使能控制信號(hào)、高壓信號(hào)送出開始發(fā)射X射線，此時(shí)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(shí)間到達(dá)所設(shè)定的“曝光時(shí)間”時(shí)，TIM4再次觸發(fā)射線工作控制任務(wù)，該任務(wù)通過對(duì)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(huì)根據(jù)鍵值和菜單號(hào)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(duì)射線源的一些工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并查看工作狀態(tài)的。該任務(wù)同時(shí)實(shí)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(shí)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(shí)、射線停止時(shí)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(shí)，立即采取相應(yīng)動(dòng)作如不同頻率的聲光報(bào)警、LCD文字提示等。當(dāng)便攜式X射線源出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)禁止用戶再次發(fā)射X射線；對(duì)“看門狗”進(jìn)行“喂狗”，以防止程序“跑非”或者死機(jī)；通過判定標(biāo)志位對(duì)工作參數(shù)、射線源總工作時(shí)間等關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

4 結(jié)束語(yǔ)

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，改變了以往儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jí)。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(jì)系統(tǒng)外圍硬件電路，移植實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II進(jìn)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(shì)，不僅實(shí)現(xiàn)了所需的各項(xiàng)功能，并且運(yùn)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(gè)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(gè)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(dòng)、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(huì)增加用戶現(xiàn)場(chǎng)操作的安全性。在后期產(chǎn)品改進(jìn)中，將充分發(fā)揮本系統(tǒng)易升級(jí)、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，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(cè)試計(jì)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(jì)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。