麻銀金

(銅仁學(xué)院 大數(shù)據(jù)學(xué)院，貴州 銅仁 554300)

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基于μC/OS-II的下刻機云母槽檢測定位系統(tǒng)設(shè)計

麻銀金

(銅仁學(xué)院 大數(shù)據(jù)學(xué)院，貴州 銅仁 554300)

針對傳統(tǒng)云母槽下刻機前后臺控制系統(tǒng)落后，無法實現(xiàn)多進程運行，且實時性差的特點，提出了一種基于嵌入式技術(shù)的下刻機云母槽檢測定位系統(tǒng)。進行了硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計，說明了它的工作原理及控制過程；在軟件設(shè)計部分引入了嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II并進行任務(wù)劃分，完成相應(yīng)的程序代碼編寫，使各任務(wù)協(xié)同工作完成系統(tǒng)功能。經(jīng)調(diào)試及試驗，下刻機能正常工作，能實現(xiàn)云母槽檢測定位，其性能優(yōu)于前后臺系統(tǒng)的下刻機。

下刻機，檢測定位，μC/OS-II，任務(wù)劃分

0 引言

下刻機云母槽自動刻削的關(guān)鍵是對云母槽進行檢測定位，準確識別出云母槽、銅片之間分隔邊界，計算云母槽的中心線坐標位置，完成對刀操作，為后面的精準下刻做準備[1-2]。而傳統(tǒng)下刻機云母槽檢測定位系統(tǒng)仍采用前后臺程序控制，其工作機理及控制方式存在著不足，如實時性差、程序任務(wù)優(yōu)先級設(shè)定困難、可靠性不高等。因而，積極開展牽引直流電機整流子云母槽中心線定位技術(shù)研究，在下刻機中引入高性能微控制器及嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)，對系統(tǒng)功能進行任務(wù)模塊劃分并設(shè)定程序優(yōu)先級別，使整個任務(wù)并行執(zhí)行，增強系統(tǒng)的實時性和可靠性，進而提高下刻機工作效率，具有現(xiàn)實意義[3]。

1 硬件組成及其工作過程

云母槽檢測定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。欲加工整流子的云母槽視頻圖像由CCD圖像傳感器拍攝，采集的視頻信號由LM1881視頻同步信號分離電路對視頻信號進行處理，分離出行、場同步脈沖作為STM32微控制器的輸入控制信號對采集云母槽圖像信息并進一步處理，驅(qū)動伺服電機完成云母槽中心位置的定位。

圖1 下刻機云母槽自動檢測定位系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)主要由CCD圖像傳感器、微控制器MCU、視頻信號處理LM1881、人機接口、伺服驅(qū)動及伺服電機、監(jiān)視器、串口通信、電源以及控制軟件系統(tǒng)和機械部分等組成。由CCD傳感器采集整流子表面信息，輸出的圖像信號經(jīng)過處理，分離出行、場同步脈沖作為MCU控制信號，圖像信號同時也經(jīng)閾值比較后輸入MCU，經(jīng)過MCU比較計算后輸出得到伺服控制信號，控制伺服電機驅(qū)動加工整流子旋轉(zhuǎn)到欲刻削的位置，使云母槽中心精確對準刀具位置，為后續(xù)的刻槽工作做準備。CCD攝像頭同時還輸出一路信號給視頻監(jiān)視器，以便輔助工作人員觀察對刀情況。人機接口主要提供人機界面，有關(guān)參數(shù)和控制指令由工作人員輸入給系統(tǒng)，比如云母槽數(shù)量、整流子型號、開機或關(guān)機，刻槽、停止等，系統(tǒng)按照指令要求工作，以此同時，把工作狀態(tài)通過顯示屏反饋給操作人員。MCU與PC的信息交換由通串行通信部分提供，它可把云母槽原始信息或處理后的信息傳輸給上位機PC，以供調(diào)試人員觀察分析。電源部分則把220 V交流電轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的所需要的各路工作電壓。

采集云母槽視頻圖像，計算云母槽中心位置坐標，控制伺服電機轉(zhuǎn)動進行云母槽中心線對準，其終止條件是云母槽中心位置對準。整個循環(huán)過程一旦停止，就說明云母槽中心已對準下刻刀位置，于是停止伺服電機轉(zhuǎn)動，可以進行云母槽刻削，否則繼續(xù)循環(huán)找中心位置坐標，直到對準。云母槽中心位置對準的流程如圖2所示。

圖2 云母槽中心線對準流程圖

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 引入μC/OS-II

μC/OS-II的含義就是“微控制器操作系統(tǒng)版本2”，其作者是由美國的Jean Labrosse嵌入式系統(tǒng)專家。這個實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，是他在1992年完成的μC/OS第1版基礎(chǔ)上，于1998年升級為第二版的，美國航空管理局于2000年對其進行了符合RTCA DO-178B標準、用于商業(yè)用飛機的認證。醫(yī)療儀器設(shè)備、家用電器、通信設(shè)備、發(fā)動機設(shè)備、銀行提款機等，對μC/OS-II都有廣泛的應(yīng)用[4]。

2.2 μC/OS-II的主要特點

μC/OS-II是一款可剝奪內(nèi)核、多任務(wù)、可裁剪的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，其代碼開源、結(jié)構(gòu)非常精巧，屬于嵌入式系統(tǒng)專用。它的絕大部分代碼由C語言編寫的，只有一小部分是用匯編語言編寫且與處理器緊密相關(guān)的程序代碼。大約有5 500行左右的源代碼總量，僅有200多行匯編語言代碼部分。在μC/OS-II系統(tǒng)中，系統(tǒng)總是調(diào)度運行就緒隊列中優(yōu)先級別最高的任務(wù)，能夠管理的任務(wù)數(shù)最多64個，其中有56個可由用戶使用。用戶編寫的應(yīng)用程序同μC/OS-II一起固化到的產(chǎn)品中。根據(jù)實際情況，用戶還可以對μC/OS-II進行裁剪，僅保留需要的服務(wù)功能，刪除冗余的服務(wù)功能，節(jié)約系統(tǒng)資源又滿足實際應(yīng)用。

2.3 云母槽檢測定位系統(tǒng)的μC/OS-II任務(wù)劃分

把μC/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)引入到云母槽檢測定位系統(tǒng)，其應(yīng)用程序設(shè)計風(fēng)格完全不同于無操作系統(tǒng)的“前后臺”系統(tǒng)。在μC/OS-II操作系統(tǒng)下進行系統(tǒng)功能設(shè)計，劃分功能模塊，設(shè)計出各個程序任務(wù)。在μC/OS-II的多任務(wù)調(diào)度器下，各任務(wù)有條不紊地執(zhí)行[4]。

應(yīng)用程序設(shè)計的關(guān)鍵，是劃分云母槽檢測定位系統(tǒng)的功能模塊任務(wù)，劃分合理與否將直接影響到系統(tǒng)軟件設(shè)計。在進行任務(wù)模塊劃分時，如下的幾個要點需要注意[5-6]：

① 要滿足實時性指標。最壞情形下，系統(tǒng)中所有的實時性功能任務(wù)，都能照常運行。

② 劃分任務(wù)的數(shù)目要合理。任務(wù)數(shù)目多，則每個任務(wù)的具體功能就相對簡單些，任務(wù)設(shè)計也簡單，但任務(wù)調(diào)度負擔(dān)較重，任務(wù)通信頻繁，系統(tǒng)效率不高，資源消耗增大。任務(wù)數(shù)目少時，則每個任務(wù)功能實現(xiàn)復(fù)雜，但各任務(wù)之間通信量小，共享資源不多，從而可以使系統(tǒng)開銷少。所以適當合并一些任務(wù)，使任務(wù)數(shù)目不多，對整個系統(tǒng)來說比較有利。

③ 使軟件系統(tǒng)得到簡化。通過對任務(wù)合理劃分，剪裁操作系統(tǒng)的冗余功能，降低軟件復(fù)雜度，減小程序代碼規(guī)模。

④ 減少資源需求。使任務(wù)間的同步與通信簡化，達到減少對相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)存占用規(guī)模的目的，進而降低系統(tǒng)資源需求。

根據(jù)上述要點，分析下刻機云母槽檢測定位系統(tǒng)，將其劃分成下面七個任務(wù)：顯示屏任務(wù)、觸摸屏任務(wù)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)輸出、伺服電機驅(qū)動和系統(tǒng)開始任務(wù)。系統(tǒng)開始任務(wù)是一次性臨時執(zhí)行任務(wù)，在μC/OS-II系統(tǒng)運行時，由其創(chuàng)建顯示屏任務(wù)、觸摸屏任務(wù)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)輸出、伺服電機驅(qū)動任務(wù)等，執(zhí)行完畢后調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)OSTaskDel()刪除自身，從而節(jié)約系統(tǒng)資源。由觸屏任務(wù)根據(jù)需要創(chuàng)建數(shù)據(jù)采集任務(wù)。這些任務(wù)通過信號量和消息郵箱通信等協(xié)同進行工作。系統(tǒng)的各個任務(wù)模塊關(guān)聯(lián)圖如圖3所示。

圖3 各任務(wù)模塊關(guān)聯(lián)圖

這幾個任務(wù)當中，開始任務(wù)、數(shù)據(jù)采集及觸摸屏任務(wù)的實時性相對較高。因此，各個任務(wù)的優(yōu)先級是如下安排的：開始任務(wù)的優(yōu)先級是4，觸摸屏任務(wù)的優(yōu)先級是7，采集任務(wù)的優(yōu)先級是9，數(shù)據(jù)處理任務(wù)的優(yōu)先級是11，電機驅(qū)動任務(wù)的優(yōu)先級是13，顯示屏任務(wù)的優(yōu)先級是15，數(shù)據(jù)輸出任務(wù)的優(yōu)先級是17。相對寬松的優(yōu)先級安排相對寬松，方便了以后新任務(wù)的擴展，比較容易找到合適優(yōu)先級數(shù)目而不用改變原有優(yōu)先等級[7]。

3 結(jié)論

在下刻機云母槽檢測定位系統(tǒng)中應(yīng)用高性能微控制器STM32，引入μC/OS-II實時操作系統(tǒng)，劃分任務(wù)模塊。各個任務(wù)運行是依靠CPU在它們之間來回調(diào)度而實現(xiàn)，各任務(wù)都認為自己完全擁有CPU資源。然而每個程序任務(wù)模塊只是整個應(yīng)用系統(tǒng)的組成部分之一，其優(yōu)先級在任務(wù)創(chuàng)建時被確定，它們都有屬于自己的寄存器組和堆棧存儲空間。μC/OS-II內(nèi)核首先調(diào)度優(yōu)先級最高的任務(wù)運行。多任務(wù)系統(tǒng)最大限度提高了CPU利用率，利于應(yīng)用系統(tǒng)程序的模塊化設(shè)計。經(jīng)調(diào)試及實驗，云母槽檢測定位系統(tǒng)能正常運行，其實時性、并行性、響應(yīng)時間均優(yōu)于采用前后臺系統(tǒng)的傳統(tǒng)下刻機，可以實現(xiàn)云母槽檢測定位，達到預(yù)定設(shè)計目標。

【REFERENCES】

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Design of a mica-slot detecting and positioning system for under-cutter based on μC/OS-II

MA Yinjin

(Big-DataInstitute，TongrenUniversity，Tongren554300，China)

Targeting at the outdated foreground-background control system of the traditional mica-slot under-cutter which has poor multi-process and real-time performance，we proposed a mica-slot detecting and positioning system based on embedded technology.We designed its hardware，and described its working principle and control process.The embedded real-time operating system μC/OS-II was introduced，the tasks of the system were divided，and the code of the program was completed to enable all tasks to work collaboratively.After debugging and experimenting，the system worked well and could realize the detection and position of the mica-slot.The new system has superior performance to the traditional under-cutter with foreground-background control system.

under-cutter，detecting and positioning，μC/OS-II，task division

TP

A

2016-08-20；

2016-09-15

麻銀金(1974-)，男，苗族，湖南省鳳凰縣人，助教，碩士，研究方向：儀器儀表。