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、隊列、信號量、固定大小的內(nèi)存分區(qū)等多項系統(tǒng)服務(wù)并在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域、發(fā)動機控制領(lǐng)域、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備領(lǐng)域、自動提款機設(shè)置領(lǐng)域及工業(yè)機器人設(shè)計領(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)提出了三路步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計思路，在提高基礎(chǔ)系統(tǒng)的實用性以及后期拓展功能的前提之下，完善了系統(tǒng)的實時性，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，針對不同的控制對象，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)實際工作情況，并對芯片處理器的優(yōu)勢做出簡單介紹[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)計了無刷直流電機控制系統(tǒng)，從而完成了控制系統(tǒng)實際運行過程中對于機器的轉(zhuǎn)速以及電流調(diào)控[3]。綜上所示，目前ARM技術(shù)在步進電機控制中的設(shè)計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，及嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)μC/OS-II在ARM上的移植，并在此平臺上進行步進電機控制程序設(shè)計，控制步進電機啟停、正反轉(zhuǎn)及加減速。

1 μC/OS-II在ARM上的移植

1.1 OS_CPU.h的項目移植

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

1.2 OS_CPU.c的項目移植

OS_CPU.c的項目移植工作由三個工作步驟組成，第一步需要完成任務(wù)堆棧初始化，這一步主要是通過調(diào)用OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()這兩個具體函數(shù)來完成。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的項目移植

OS_CPU_A.s的項目移植共分為以下幾步：首先需要確定時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)函數(shù)，這一函數(shù)主要是用來確定系統(tǒng)的額外開銷工作的，時鐘節(jié)拍率與系統(tǒng)的額外開銷呈正比關(guān)系。本次測試所設(shè)計的系統(tǒng)采用S3C2410的timer 0作為時鐘節(jié)拍源。其次，需要進行OSTimeTick()函數(shù)的調(diào)用，如果在系統(tǒng)工作的過程中有優(yōu)先級更高的任務(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)時重新恢復(fù)中斷狀態(tài)。

2 實驗結(jié)果討論

2.1 驅(qū)動電路設(shè)計評價

設(shè)計選用二相四拍步進電機系統(tǒng)，通過使用控制換相順序的方式來完成對步進電機的控制，由于所使用的S3C2410 的GPIO驅(qū)動能力有限，所以使用ULN2003達林頓集成驅(qū)動芯片來驅(qū)動步進電機。ULN2003是高耐壓、大電流、內(nèi)部由七個硅NPN達林頓管組成的驅(qū)動芯片，其每一對達林頓都串聯(lián)一個2.7KΩ的基極電阻。驅(qū)動系統(tǒng)要求信號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候，步進電機靜止，如果加入適當?shù)拿}沖信號，驅(qū)動系統(tǒng)就會以一定的角度轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動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)動陣列，多用于單片機、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出等控制電路中，可直接驅(qū)動繼電器等負載。ULN2003芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳如圖3所示。系統(tǒng)中的步進電機的四相(實際工作模式為二相四拍)由0x28000006的bit0～bit3控制，bit0對應(yīng)于MOTOR_A，bit1對應(yīng)于MOTOR_B,bit2對應(yīng)于MOTOR_C，bit3對應(yīng)于MOTOR_D。通過編制脈沖分配控制步進電機。

圖3 ULN2003芯片引腳

2.2 控制程序設(shè)計評價

系統(tǒng)在μC/OS-II平臺上，設(shè)計步進電機的控制程序，能夠控制步進電機轉(zhuǎn)動和停止、電機正反轉(zhuǎn)和電機轉(zhuǎn)速。

1)步進電機使能控制函數(shù)，啟動或停止步進電機運行。其參數(shù)可以為STEP_ MOTOR_ ENABLE或STEP_MOTOR_DISABLE。

2)步進電機正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)。系統(tǒng)中使用的步進電機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)相序為：0101-1001-1010-0110-0101，則反轉(zhuǎn)相序就為：0101-0110-1010-1001-0101。

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

由主函數(shù)Main()建立兩個任務(wù)TaskSTEP和TaskSEG，優(yōu)先級分別為5和13。從串口打印輸出任務(wù)運行的信息。TaskSTEP任務(wù)輸出提示信息，控制步進電機的起停、正反轉(zhuǎn)和加減速。TaskSEG任務(wù)輸出程序運行時的信息，同時控制數(shù)碼管。系統(tǒng)主函數(shù)Main，用來實現(xiàn)目標板的初始化，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)啟動函數(shù)，該函數(shù)永遠不會返回，在調(diào)用OSStart()之前必須先調(diào)用OSInit()函數(shù)。高優(yōu)先級的函數(shù)TaskSTEP()，用來啟動時鐘節(jié)拍定時器，開始多任務(wù)調(diào)度，從串口打印輸出任務(wù)運行的信息，初始化步進電機，開始啟動步進電機，根據(jù)按鍵來控制步進電機轉(zhuǎn)動和停止、電機正反轉(zhuǎn)和電機轉(zhuǎn)速。

3 結(jié) 論

為實現(xiàn)嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II的移植，通過修改三個和體系結(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，通過對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電機的研究，完成硬件系統(tǒng)的設(shè)計。完成了步進電機，掃描鍵盤電路的設(shè)計。軟件部分，完成了電機模塊、鍵盤模塊、數(shù)碼管模塊功能實現(xiàn)的程序設(shè)計。這樣移植就成功了，并控制步進電機啟停、正反轉(zhuǎn)以及加減速，完成了步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計。