（物理电子学专业论文）基于+μ+cosii的自动定容压机嵌入式控制系统.pdf

原创性声明 1 1 11 11 11 1 111 11111 1iii y 18 3 2 5 5 3 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：力个【也如 日期：o 年占月日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者：彦讣1 芷瓜 日期：它，c 年历月三。 摘要 摘要 自动定容压机是一种用来压制金刚石刀头的磨具压缩机器，它利用其上下 油缸油压系统在设备冲压模中对特殊的金刚石刀头原材料( 超细晶粒硬质合金 基体) 进行精确压制，从而生产出一种用于切割石材、铝合金金属耗材等强硬 度建筑材料的金刚石刀头。由于刀头在用途上对硬度，质量等刀头属性的特殊 要求，自动定容压机在压制刀头的过程中应当根据刀头目标属性进行操控。 本文根据对该机器工作状态、工作环境和具体功能实现方面的相关要求分 析，提出了基于a r m 7 和t x c o s i i 的自动定容压机控制系统设计方案，在对工作 流程分析和研究的基础上，利用积分p i d 控制算法实现了对压制流程的精确控 制。该控制系统基于a r m 7 内核嵌入式微处理器l p c 2 3 7 8 ，实现对压制流程和 其他相关功能的控制，并根据该自动定容压机任务实现复杂、实时监控要求高 的需要，引入了一款抢先式、开源、实时多任务操作系统i t c o s i i 。在本试验组 对硬件平台成功搭建的基础上，本课题成功完成了i x c o s - i i 在a r m 7 芯片 l p c 2 3 7 8 上的移植，并在实时多任务操作系统平台上通过软件编程实现对自动 定容压机整个压制流程的动作控制和数据校准，且成功实现了上位p c 机与下位 机的串行通信，开发了良好的人际交互界面和功能调试界面。经过整机调试， 该系统工作正常，性能良好。 关键词：p , c o s i i l p c 2 3 7 8 定容压机嵌入式系统 a b s t r a c t a b s t r a c t a u t o m a t i cc o n s t a n t v o l u m ec o m p r e s s o ri sah e a dt os u p p r e s st h ed i a m o n d g r i n d i n gm a c h i n e ，w h i c hu s e st h ec o m p r e s s i o na n dc y l i n d e rh e a df o rs p e c i a ld i a m o n d h y d r a u l i cs y s t e mi np r o g r e s s i v em e t a ls t a m p i n ge q u i p m e n t , r a wm a t e r i a l s ，a c c u r a t e a n du s e dt op r o d u c eas u i t a b l ef o rc u t t i n gs t o n e ，h a r d a l l o ym e t a lb u i l d i n gm a t e r i a l s o fd i a m o n dc u t t e rd e g r e eo fm a c h i n e r y b e c a u s eo ft h eu s eo f f o r c e ，s u c ha sq u a l i t y a t t r i b u t e sh a r d n e s so fs p e c i a lr e q u i r e m e n t s ，a u t o m a t i cc o n s t a n tv o l u m ec o m p r e s s o r o u g h t t om a n i p u l a t ea c c o r d i n gt os u p p r e s st a r g e ta t t r i b u t e a c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gc o n d i t i o no ft h em a c h i n e ，t h ew o r k i n ge n v i r o n m e n t a n ds p e c i f i cf u n c t i o n sr e l a t e dr e q u i r e m e n t sa n a l y s i s ，t h i sd e s i g ns c h e m ei sp r o p o s e d b a s e do na r m 7a n dl a c o s i ia u t o m a t i cm a c h i n ec o n t r o ls y s t e mc a p a c i t y i nt h ep r o c e s s o f a n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nt h eb a s i s ，a u t o m a t i cc o n s t a n tv o l u m ec o m p r e s s o rc a n a c h i e v ep r e c i s ec o n t r o lo ft h ep r o c e s su s i n gi n t e g r a lp i dc o n t r o la l g o r i t h m 。t h i s c o n t r o ls y s t e mc a nc o m p l e t et h es y s t e mo fp r e s s i n gp r o c e s sa n do t h e rr e l a t e d f u n c t i o n so fc o n t r 0 1b a s e do na r m 7k e m e lo fl p c 2 37 8m i c r o c o n t r o l l e rf o rc o n t r o l c h i p ，a n di n t r o d u c e sap r e e m p t i v e ，o p e ns o u r c e ，r e a l - t i m em u l t i t a s k i n go p e r a t i n g s y s t e mw h i c hi sp c o s - i ia c c o r d i n gt ot h ec o m p l e x i t y , r e a l - t i m em o n i t o r i n go f n e e df o r t h et a s ko fa u t o m a t i cc o n s t a n tv o l u m em a c h i n e b a s e do nt h es u c c e s s f u lc o m p l e t i o no f h a r d w a r ep l a t f o r mi nt h i st e s t ，t h et o p i cf i n i s h e dt h et r a n s p l a n to f p c o s i io na r m 7i n l p c 2 37 8 ，a n di tc a nr e a l i z et h ea c t i o nc o n t r o la n dd a t ac a l i b r a t i o ni nt h ew h o l e s u p p r e s s i o no ff l o wo fa u t o m a t i cl e tc o m p r e s s o rt h r o u g hp r o g r a m m i n gi nr e a l t i m e m u l t i t a s k i n go p e r a t i n gs y s t e mp l a t f o r m 。a n di ta l s oc a na c h i v eas u c c e s s f u ls e r i a l c o m m u n i c a t i o nb e t w e e np cm a c h i n ea n dl o w e rm a c h i n e ，w h i c hh a sag o o d i n t e r p e r s o n a li n t e r a c t i o ni n t e r f a c ea n df u n c t i o nt e s t i n gi n t e r f a c e f i n a l l y , t h es y s t e m c a nw o r kp r o p e r l ya n dh a v eag o o dp e r f o r m a n c ea f t e rs y s t e mc o m m i s s i o n i n g k e y w o r d s ：p , c o s - i il p c 2 3 7 8 c o n s t a n t - v o l u m ec o m p r e s s o re m b e d d e ds y s t e m s i i 目录 目录 1 绪 仑1 1 1 研究背景及意义1 1 2 自动定容压机的工作原理及控制方法2 1 3 本文主要工作及内容安排= 4 2 基于l p c 2 3 7 8 和g c o s i i 的嵌入式系统6 2 1 嵌入式系统介绍6 2 2 嵌入式微处理器。7 2 2 1 a r m 的体系结构7 2 2 2 a r m 处理器核8 2 2 3 l p c 2 3 7 8 微控制器。9 2 3 嵌入式操作系统】o 2 , 3 1 嵌入式操作系统选型1o 2 3 2 p , c o s - i j 操作系统l1 2 4 本章小结1 8 3 系统方案分析及部分硬件电路设计1 9 3 1 系统功能需求分析及方案规划1 9 3 2 部分硬件电路设计的基本思想2 0 3 2 1 a r m 的时钟和j t a g 调试接口设计2 0 3 2 2 复位电路设计2 1 3 2 3 r s 2 3 2 通信端口设计2 2 3 2 4 系统电源模块设计2 3 i i i 目录 3 2 5a d 转换模块2 4 3 3 本章小结2 4 4 t c o s i i 操作系统在l p c 2 3 7 8 上的移植2 6 4 1c 编译器的选择2 6 4 2o sc p u h 文件的移植及编写2 7 4 2 1 与编译器相关的数据类型2 7 4 2 2 堆栈增长方式、开关中断的实现2 8 4 2 3 利用软中断实现底层接1 2 1 3 0 4 3o sc p uc c 文件的移植及编写3 l 4 3 1 任务堆栈初始化函数o s t a s k s t k l n i t 0 31 4 3 2 软件中断服务程序c 语言部分3 3 4 4o sc p ua s 文件的移植及编写3 4 4 4 1 启动最高优先级就绪任务函数o s s t a r t h i g h r d y 0 的移植3 5 4 4 2 任务级任务切换函数o s c t x s w 0 的编写3 5 4 4 3 中断级任务切换函数o s i n t c t x s w 0 的编写3 6 4 4 4 o s t i c k l s r 0 时钟节拍中断服务程序的编写3 9 4 5 启动代码的编写4 1 4 5 。i 异常向量表4 2 4 5 2 堆栈初始化4 3 4 6 本章小结4 4 5 下位机控制软件设计4 5 5 1自动定容压机控制系统模块分析及功能实现4 5 5 2 相应功能任务划分4 5 5 3 下位机软件编程实现4 6 5 3 1系统主函数4 7 i v 目录 5 3 2 自动运行模块4 8 5 3 3u a r t 0 串行通信模块51 5 3 。4 状态监测模块 5 3 5 4 a d 转换子模块一5 3 5 5p i d 控制算法在系统软件设计中的应用。5 6 5 5 1p i d 控制算法简介5 6 5 5 2 积分分离p i d 控制5 6 5 5 3p i d 调节器参数选择：5 8 6 上位机软件设计6 0 6 1 开发环境选择6 0 6 2 美观的人机界面设计开发6 0 6 3p c 机与下位机的通信6 3 6 3 1 m s c o m m 控件介绍6 3 6 3 2 与下位机通信的实现6 4 6 4 本章小结6 7 7 结束语6 8 参考文献6 9 致谢7 2 个人简历7 3 v 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景及意义 世界建筑业、机械加工、电子信息业的发展为金刚石工具业提供了巨大的 市场、发展机遇与挑战。欧美金刚石工具制品业由于劳动力昂贵，原材料涨价， 金刚石制品价格下滑，促使其不断进行技术创新加以应对。因此我国同行业进 行技术创新，研制生产出一种高效高品质的金刚石刀头生产机器势在必行。在 精密的切削加工条件下所生产的金刚石刀具比高速钢、硬质合金、陶瓷和聚晶 立方氮化硼等刀具的使用寿命都要长，特别是用金刚石刀具切削加工铜、铝等 有色金属和非金属耐磨材料时特别有效，其切削速度可比硬质合金刀具高很多 1 1 】。以往生产金刚石刀具的称重式冷压缩机压制效率低，压制刀头精度不够，工 艺水平较低。而当前机械行业内针对该问题研制生产的定容冷压机，利用容积 式配料，采取修正填料高度来控制重量精确性，同时具有两组装送料系统，可 装四种不同粉末，能生产多层刀头，为高品质金刚石生产提供了很大的发展机 遇。所谓定容法装料就是不用传统的称重系统，而是利用压模容积来控制装料 量。采用定容法配料比传统的人工称重装料具有如下几个优点： 1 可以减少因称、装料过程中产生的组份偏差甚至是人为差错，有利于精 确产品质量、提高产品性能； 2 定容法装料可采用自动修正填料高度方案，修正精度高，有利于提高生 产效率； 3 适合大批量生产，在降低人工成本、改善劳动条件的同时，提高了劳动 生产率，增强企业竞争力。 德国飞羽公司早在1 9 9 7 年推出了k p v l 6 0 容积式冷压机来取代k p 4 5 全自 动称重式冷压机，然后又根据发展中国家市场的需要推出c c p l 0 0 经济型全自动 称重式冷压机，为了满足金刚石工具制造业不断增长的生产率与利润率方面的 需求，2 0 0 3 年则推出更为先进的k p v 2 1 8 型全自动容积式冷压机1 2 j 。本课题的 研究平台也是一款由国内自主研发生产、机械原理上与k p v 2 1 8 相似，在功能 上实现对刀头压制质量精确控制的冷压机。该款冷压机通过设计完善合理的自 动控制控制系统，不但能极大增强所产工件的品质，还能大大提高生产效率， 1 绪论 在同行业具有相当先进技术竞争性。在项目的开发过程中，本实验组主要负责 该款自动定容压机控制系统的设计与研发。 1 2自动定容压机的工作原理及控制方法 自动定容压缩机较之普通冷压机的不同之处在于其能够实现从装料到压制 的全程自动控制，并且能根据目标反馈值对所压缩金刚石刀头的各项指标参数 实现修改和设定。如图1 1 所示，该款冷压机经过优化工作装卸机构，工作效率 得到极大提高，每分钟可压制1 2 片刀头，并通过部件结构调整，减轻了石墨磨 具的磨损程度，其液压系统与控制柜一体化，还采用了玻璃纤维网罩和触摸式 控制屏，使得机器操作更加直观和安全。 图1 。1 自动定容压机外形图 根据该自动定容压机工作机制和设计要求，核心控制部件需为该系统提供5 路模拟输入量、5 路模拟输出量、1 8 路开关输出量、2 7 路开关输入量。各路输 入输出量的功能如下： 1 、5 路模拟输入量分别采集来至外部传感器对上下油缸位移、上下油缸压 力以及称重传感器的测量信号。 2 、5 路模拟输出量通过d a 转换把数字信号转换成能对外设电气装置产生 控制作用的电流或者电压信号，分别实现对上缸比例阀、下缸比例阀、上缸伺 2 1 绪论 服阀、下缸伺服阀以及电机变频器的控制。 3 、1 8 路开关输出量通过连接继电器实现对自动冷压机低压泵、高压泵、上 下油缸、推料汽缸、拉料汽缸、以及料斗等的开关控制。 4 、2 7 路开关输入量是对外部工作状态如工作模式开关、油温开关、气压开 关等的一种监控和反映。 图1 1 为该自动定容压机刀头压制部件简单示意图，整个压制过程主要是利 用预生产工件属性要求的固定压力，通过上下油缸对冲压模内装入的原料进行 挤压成型，而后利用推拉料汽缸对压制完成的工件进行处理( 拉料汽缸拉出不 合格工件，推料汽缸将合格工件推到产品包装箱) 。 图1 2 自动定容压机压制部件略图 该款机器采用容积式装料，主要通过测定冲压模深度控制装料量来实现定 容目的。要想压制合格理想的刀头，就要在系统工作时给定固定的填料深度： 在这里填料量要由冲压模面积、刀头重量以及原料颗粒的密度共同决定。具体 计算公式如公式1 1 ： 1 绪论 h 。：垫l 1 0 m m ( 1 1 ) 。a c 脚2 】p 。【嘉】册 其中，h f 为实际工作时冲压模填料深度，单位为i r l l n _ ；g 为工件目标重量， 单位为g ；a 为冲压模表面积( 一定值) 单位为c m 2 ；而p 。则为刀头原料颗粒密 度。通过对后面三个量的确定，一定工件的填料深度也是定值，那么在装料过 程中对该深度进行控制，实现工件达到相应的目标标准。 系统在完成装料时，由料斗汽缸推动料斗到达下料位置，通过料斗抖动下 料，而后经过相应的控制算法来实现对刀头压制过程的控制，并且协调上下油 缸的移动速度以及油缸压力。刀头压制完成后，利用相应的称重传感器来对压 缩成品刀头进行称重，判断产品是否合格，并且通过推料汽缸和拉料汽缸区分 开合格产品与不合格产品。整个控制流程需要在功能上实现机器各个工作部件 的相互配合，如上油缸何时开始下降，以什么速度下降，到达什么位置开始加 压，推料和拉料汽缸何时开始启动才能避免与上下油缸相碰等具体工作，这些 将在以后的章节中作详细介绍。 1 3 本文主要工作及内容安排 本文针对自动定容压机控制系统的技术要求及工作特点，设计了基于a r m 7 微处理器的解决方案，并根据系统对实时性和多任务性的要求引入了嵌入式操 作系统肛o s i i ，从而提高了系统控制的高效性、可扩展性，加快了研发速度。 作者在整个项目的研发过程中与同组人员合作完成了系统硬件平台的搭建及 p c b 板的设计，并主要完成了i t c o s i i 操作系统在l p c 2 3 7 8 上的移植、控制系统 软件编写、上位机人机交互界面设计和上下位机通信的实现等相关工作，并结 合压缩机平台完成了后期的系统调试。调试结果表明：该系统工作稳定、性能 良好。 本文后续部分就将对系统软硬件设计方案，尤其是操作系统移植、下位机 控制软件编写、上位机界面开发及上下位机之间通信实现做详细论述，具体章 节安排如下： 第二章简要对基于a r m 微处理器和g c o s i i 的嵌入式系统进行介绍和研究， 对a r m 处理器的选型和操作系统的引用方案等进行讨论。并对a r m 处理器和 嵌入式实时操作系统进行了介绍。 4 1 绪论 第三章对系统的功能需求进行分析，并在此基础上提出并论证了自动定容 压机控制系统的实现方案以及部分硬件电路设计思想。 第四章通过研究g c o s i i 操作系统移植的一般方法，结合所选用的a r m 7 微 处理器，成功实现了该操作系统的移植和目标板相应启动代码的编写。 第五章对系统下位机软件设计及实现进行了详细论述。基于肛o s i i 操作系 统，根据系统的功能要求和控制流程进行任务划分，最后根据功能划分，对各 功能模块进行了详细论述及设计。 第六章对系统上位机人机交互界面开发以及上位机与下位机的通信实现进 行论述，并成功实现上位机对下位机的控制。 第七章对本文进行总结和展望。 2 基于l p c 2 3 7 8 和g c o s i i 的嵌入式系统 2 基于l p c 2 3 7 8 和l t t c o s i i 的嵌入式系统 2 1 嵌入式系统介绍 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，能适 应应用系统对功能、可靠性、成本、体积及功耗严格要求的专用计算机系统。 是相对通用计算机系统而言的，嵌入式系统与通用计算机系统相比，具有以下 几个特点： 1 、嵌入式系统通常面向特定应用的嵌入式c p u ，具有低功耗、体积小、集 成度高等特点，能把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集中在芯片内部，因此 嵌入式系统一般小型化、移动能力强。但通用计算机系统一般体积庞大。 2 、嵌入式系统将先进的计算机技术、半导体及电子技术与各行业具体应用 结合，形成一个技术、资金高度密集不断创新的知识集成系统。例如一台优盘 的成本大概维持在几元，销售价格也不过几十元；然而，一台通用计算机动辄 上千元，甚至上万。 3 、嵌入式系统是软硬件结合，同时软硬件可裁剪。但通用计算机系统就没 有那么灵活，配置固定。 4 、嵌入式系统由于资源有限，本身一般不具备自举开发能力，即使设计完 成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具 和环境才能进行开发。因此不能够直接在其上进行应用软件的开发，必须借助 于交叉编译的方式；但通用计算机系统可以直接在其上进行应用开发。 5 、通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接i ：l ( a p i ) ，是其基本组成不 可缺少的一部分，应用程序的开发以及完成后的软件都在o s 平台上面运行，但 一般不是实时的。嵌入式系统则不同，应用程序可以不使用操作系统而直接在 微处理器芯片上运行；但是为了有效地调度多任务、合理利用系统资源、系统 函数以及和专家库函数接v i ，用户必须自行选配r t o s 开发平台，这样才能保证 程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保证软件质量【3 j 。 本课题所研究的自动定容压机控制系统可以认为是一个系统中的子系统。 一方面，该系统作为一个独立的嵌入式系统完成对自动定容压机压制流程控制、 工作状态监测和模具规格的校准；另一方面，又是自动定容压机这个系统中的 2 基于l p c 2 3 7 8 和i _ t c o s - i i 的嵌入式系统 一部分。 2 2 嵌入式微处理器 嵌入式系统的主题是嵌入式微处理器，是系统硬件平台的核心部件。目前 各领域中所用的嵌入式微处理器一般具备以下特点： 1 、对实时性及多任务有特别强的支持能力，能完成多任务处理并且具备相 当短的中断响应时间，从而使内部的程序代码和实时操作系统内核的执行时间 极度缩短。 2 、具有很强的存储区保护功能。这是因为嵌入式系统的软件结构已模块化， 而为了避免在其之间出现交叉错误，需要设计强大的存储区保护功能，同时也 有利于软件诊断。 3 、可扩展的处理器结构，以能快速开发出满足应用的最高性能的嵌入式微 处理器。 4 、嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于靠电池供电的便携式无线及 移动计算和通信设备的嵌入式系统更是如此。 虽然嵌入式微处理器在功能上和标准微处理器是相差不大，但一般会在工 作温度、抗电磁干扰及可靠性等方面做些加强处理，以满足嵌入式应用的特殊 要求。主流嵌入式微处理器主要有3 8 6 e x 、s c 4 0 0 、p o w e r p c 、m i p s 和a r m 系列。本课题设计中选用了n x p 公司的l p c 2 3 7 8 芯片，这是一款基于a r m 7 内核的嵌入式处理器，具有高性能、低成本、可移植性强等优剧4 1 。 2 2 1a r m 的体系结构 a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写，是微处理器行业的一家知名企业。 该企业设计了大量廉价、高性能、低功耗的r i s c 处理器以及相关技术和软件【5 】。 a r m 系列微处理器一般是精简指令集( 融s c ) 计算机，其设计实现了外型 小而性能高的结构特点。a r m 处理器结构的简单使得a r m 的内核很小，这样 器件的功耗也相应较低，同时a r m 处理器还集成了非常典型的r i s c 结构特性 1 6 】： l 、一个大而统一的寄存器文件。 2 、装载保存结构，数据的处理只针对寄存器内容，而不直接对存储器进行 2 基于l p c 2 3 7 8 和g c o s i i 的嵌入式系统 操作。 3 、简单的寻址模式，所有装载保存的地址都只由寄存器内容和指令域决定， 并且统一和固定长度的指令域还简化了指令的译码。 a r m 在此基本结构之上，还具有如下特性： 1 、每一条数据处理指令都对算术逻辑单元( a l u ) 和移位器进行控制，以 有效利用a l u 和移位器。 2 、地址自增和自减的寻址模式实现了程序循环的优化。 3 、多寄存器装载和存储指令实现了最大的数据吞吐量。 4 、所有指令的条件执行实现最快速的代码执行。 2 2 2a r m 处理器核 删公司开发了一系列的删处理器核，目前最新的系列是c o r t e x ， 而a r m 6 核及更早的系列现在都很罕见。目前，应用比较多的应当是a r m 7 、 a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 、s e c u r c o r e 系列以及i n t e l 的s t r o n g a r m 、x s c a l e 系 列。以下主要针对在该系统设计处理器选型中所涉及到的a r m 7 进行详细介绍。 a r m 7 系列包括a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d m i s 、带有高速缓存处理宏单元的 a r m 7 2 0 t 和扩充了j a z e l l e 的a r m 7 e j s 。该系列处理器提供t h u m b16 位压缩 指令集和e m b e d d e d l c ej t a g 软件调试方式，适合在更大规模的s o c 设计中应 用。其中a r m 7 2 0 t 高速缓存宏单元还提供8 k b 缓存、读缓冲和具有内存管理 的高性能处理器，支持l i n u x 、s y m b i a n 和w i n d o w sc e 等操作系统。a r m 7 体 系微处理器当前己广泛应用于多媒体、i n t e r n e t 、网络和调制解调器设备以及移 动电话、p d a 等无线设备【7 j 。 a r m 7 t d m i 是目前较常用的a r m 处理器核，在科研及生产领域得到广泛 的应用。a r m 7 t d m i 是a r m 通用3 2 位微处理器家族的成员之一，采用了冯诺 依曼结构，指令和数据公用一条3 2 位总线，只有加载、存储和交换指令时才可 以对存储器内的数据进行访问。该处理器具有优异的性能，但功耗却很低，使 用门的数量也很少，指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机也要简单许 多。这样的简化实现了：高的指令吞吐量、出色的实时中断响应、小的、高性 价比的处理器宏单元俐。 正是基于以上的优点，a r m 7 已成为现在a r m 系列的主流。a r m 7 的高性 价比和高稳定性，已经在工业及科研等的实际应用中得到验证，这也是本系统 2 基于l p c 2 3 7 8 和g c o s - i i 的嵌入式系统 采用a r m 7 处理器内核的重要原因。 当前生产a r m 内核处理器的厂商很多，本文在硬件系统平台设计中，根据 实际控制功能，结合项目研发成本以及系统实现要求，核心芯片选用了n x p 公 司的l p c 2 3 7 8 处理器。 2 2 3l p 0 2 3 7 8 微控制器 n x p 公司微控制器l p c 2 3 7 8 是一款基于3 2 位a r m 7 t d m i s 内核的具有实时 竞争机制的微控制器，可以在高达7 2 m h z 的频率下操作，每个器件都含有高达 5 1 2 1 0 3 的片内f l a s h 和5 8 0 3 的片内s 洲存储器；在系统编程( i s p ) 和在应用编 程( i a p ) 软件最大限度地减少了编程时间，对每2 5 6 个字节的编程时间只需要 1 m s ，而对一个扇区或整个芯片的擦除也只要4 0 0 m s ；1 2 8 位宽的存储器接1 5 1 和专 有的存储器加速装置使得3 2 位的指令代码可在最高的时钟频率下执行，而无需 另外选择较昂贵的s r a m 。该微控制器结构上包含1 个1 0 1 0 0e t h e m e tm a c 接口、 i + u s b2 0 全速( 1 2 m b p s ) 设备、2 路c a n2 0 b 通道、1 个通用d m a 控制器、1 个 1 0 位的a d 转换器和1 个1 0 位i 拘d a 转换烈9 1 。e t h e m e tm a c 在独立的a h b 总线上 有1 6 k b 的s r a m 和一个相关的d m a 控制器。u s b 控制器含有4 k b 的u s b 静态存 储器和可存取的d m a 单元：l p c 2 3 7 8 有4 个u a r t 、3 个1 2 c 总线接口、3 + s p u s s p 接口和1 个1 2 s 接口，多个串行通信接口增强了工程设计的灵活性，提供了更高的 数据处理能力；l p c 2 3 7 8 具有4 个3 2 位比较定时器、1 个用于三相电机控制的 p w m 单元、1 个带有2 k b 电池供电s r a m 的低功耗实时时钟、1 个看门狗定时器 和1 个可用作主系统时钟的4 m h z 内部r c 振荡器。此外，l p c 2 3 7 8 还包含有1 个 s d m m c 存储卡接口1 1o 】。 通常情况下，l p c 2 3 7 8 的工作温度范围为4 0 8 5 。同时该微控制器每 个外设都提供有一个独立的时钟分频器，这样我们在系统设计时就能够根据需 求将硬件功耗降到最低。该微控制器有1 0 4 个通用i o 端口，这些i o 口线可在 高达1 8 m h z 的速率下触发，而且，p 0 口和p 2 口的每个管脚还可扩展用作外部 中断管脚【l 。 l p c 2 3 7 8 还包含了一个8 位的存储器控制器( m i n i b u s ) ，支持异步r a m 、 r o m 和f l a s h 。m i n i b u s 也可用来连接片外存储器映射的设备和相关外设。支持 实时仿真和嵌入式跟踪支持，且具有一个集成的向量中断控制器( v i c ) 。同时， 为了与现有的工具兼容，该器件还使用了标准的a r m 测试调试j t a g 接口 1 2 】。 9 2 基于l p c 2 3 7 8 和i r t c o s i i 的嵌入式系统 2 3 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统伴随着嵌入式系统的发展而发展。早期的嵌入式系统中并 没有选择操作系统，因为这些系统多为特定的工控系统设计，功能相对单一， 硬件多采用可编程控制器，存储器资源相对有限，不足以支持操作系统，同时 很多情况下直接使用汇编语言控制系统，也没有使用操作系统的必要。但随着 科技的进步以及嵌入式系统的迅猛发展，应用领域日趋广泛，结构和功能也越 来越复杂，使用操作系统对整个系统进行管理和操作也显得日益重要，嵌入式 操作系统在各个领域也逐渐得到了广泛应用l l 引。 所谓嵌入式操作系统实际上就是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软 件，也是嵌入式系统中除嵌入式微处理器外另一重要的组成部分。一个典型的 嵌入式操作系统在结构和功能上包括：系统内核、设备驱动接口、文件系统、 通信协议、应用程序接口、人机交互接口和图形界面等【l 引。 本文所设计的自动定容压机控制系统的主要功能是对金刚石刀头压缩机压 制流程进行控制，除此之外还要对其相应参数进行校准和标定，对上下油缸位 移及压力等相关外设实测数据进进行读取，出现故障时及时报警并能自行切断。 上述功能较复杂，每一个功能都对应一个相对独立的任务。因此，该系统引入 嵌入式操作系统非常必要，因为操作系统的引入可以提高系统的实时多任务性 和可靠性，并可以加快开发效率，从而缩短系统开发时间。 2 3 1嵌入式操作系统选型 目前，嵌入式操作系统种类繁多，按照实时性能分为两类：实时嵌入式操 作系统和非实时嵌入式操作系统，其中实时嵌入式操作系统又可分为硬实时和 软实时两种类型；操作系统根据应用领域还可以分为商用型和免费型，一般商 用型的嵌入操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和相对完善的售后服 务，但通常价格昂贵，如v x w o r k s 、w i n d o w sc e 等；开放源代码的嵌入操作系 统在价格和资源等方面都具有很大优势，目前主要有g c o s i i 、u c l i n u x 等。商用 嵌入式操作系统虽然性能优良，但是其高昂的价格无疑会增加项目的研发成本， 甚至会超出项目成本预算，所以综合多个因素，我们在该系统设计中不考虑商 用嵌入式操作系统；u c l i n u x 虽然也开放源代码，但由于该操作系统对硬件资源 要求高，而且实时性能也相对较差，所以u c l i n u x 也不是我们的最佳选择。综 2 基于l p c 2 3 7 8 和f r t c o s i i 的嵌入式系统 上所述，多方面考虑后我们选定实时开源嵌入式实时操作系统g c o s - i i 应用于我 们所开发的自动定容压机控制系纠1 4 1 。 2 3 21 - 1c o s - - ii 操作系统 2 3 2 1 uc o s - - jj 操作系统简介 g c o s i i 是一种免费公开源代码、结构小巧、可固化、可裁剪且具有可剥夺 实时多任务内核的实时操作系统。该系统是专为嵌入式应用设计的占先式实时 操作系统，其在一个航空项目中通过了美国航空管理局的认证，从而证明i t c o s i i 具有足够的稳定性和安全性。该操作系统绝大部分代码是用c 语言编写的，与 处理器硬件相关部分则是用汇编语言编写，代码总量约2 0 0 行的汇编语言部分 被压缩到最低限度，其目的是便于g c o s i i 移植到多种架构的微处理器上。i t c o s i i 具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点，最小内核 最低可编译至2 k b j 。 严格来讲p , c o s i i 只是一个实时操作系统内核，它仅仅包含了任务管理、任 务调度、时间管理、内存管理以及任务间的通信和同步等操作系统基本功能， 而没有提供输入输出管理、文件系统、网络管理等额外的服务。但由于l x c o s i i 良好的可扩展性和开放的源代码，这些非必须的功能完全可以由用户自己在使 用中根据需要分别实现，所以p , c o s i i 在嵌入式系统中已得到广泛应用。g c o s i i 提供一个基于优先级调度的抢占式实时内核，并在这个内核基础之上提供基本 的系统服务，如信号量，邮箱，消息队列，内存管理，中断管理等。我们引入 操作系统的首要目的是对自动定容压机控制系统根据功能实现划分的多个任务 进行管理和调度，以实现其各个任务模块之间的协调工作，完成整个系统的优 化控制。下面我们通过分析g c o s i i 内核结构及工作原理来着重介绍i x c o s i i 操作 系统中的任务管理和任务同步与通信功能。 2 3 2 2 pc 0 5 - - ii 微小内核分析 图2 1 是接近 t c o s i i 的简单内核体系结构图，内核保留给上层应用的接1 ：3 有3 个，分别是软保护、i t c 和d s r 。由于g c o s i i 操作系统内核是可剥夺型实 时多任务内核，因此最高优先级的任务一旦就绪，总能得到c p u 的使用权【1 6 1 。 图2 i 简单内核体系结构 如果是中断服务予程序使一个高优先级的任务进入就绪态，中断完成时 了的任务被挂起，优先级高的任务开始运行。 u c o s - i i ( 与处娜器无关的代码) o s _ c o r e c u c o s i i c o s m b o lcu c o s i i c 0 sm e 乩c o sq ，c o ss e h l c0 s 了a s k c o st i i e c 软件 一一一一一一一一一- 一_ 一一一一一一一一一一一一一一一一一一_ _ 一一一一一一一_ 一一 硬件 图2 2 t c o s - i i 的文件结构 图2 2 是“c o s i i 的文件系统，该文件系统总体可分为三部分【1 5 】： 1 2 2 基于l p c 2 3 7 8 和g c o s i i 的嵌入式系统 ( 1 ) 与处理器无关的内核代码文件：o sc o r e c ，o sf l a g c ，o sm b o x c ， o s m e m c ，o s q c ，o s s e m c ，o s t a s k c ，o s t i m e c ，g c o s - i i c ，t c o s i i h 。 与处理器无关的代码，在系统中可以直接使用。本文根据实际需要对以下文件 作简要说明： o s c o r e c ：提供实时系统数据结构初始化，任务调度，中断处理等内 核功能。 o sm e m c ：提供内存管理功能。 o ss e m c ：提供信号量实现任务同步与通信的功能。 o s t a s k c ：任务管理文件，提供任务创建、任务删除、优先级转换和 任务挂起等任务管理相关功能。 o st i m e c ：提供时间管理功能。 ( 2 ) 与应用相关需要配置的代码文件：i n c l u d e s h ，o sc f g h 。 i n c l u d e s h ：包括了应用程序及内核需要的全部头文件，所有c 文件的 开始都包含了该文件。 o s c f g h ：定义了一些常量，用于控制函数的使能以及事件控制块、任 务数量、优先级等，一般需要用户根据程序的需要修改其相关常量。 ( 3 ) 与处理器相关的代码：o sc p u h ，o sc p ua a s m ，o s