高壓帶電作業(yè)機(jī)器人嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘 要： 隨著機(jī)械控制技術(shù)的快速發(fā)展，基于傳統(tǒng)的工控機(jī)或者PLC的控制器已經(jīng)無法滿足高壓帶電作業(yè)機(jī)器人穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性、擴(kuò)展性，以及高效、低功耗的工業(yè)化要求。本文設(shè)計(jì)出了一套基于ARM的嵌入式控制器，并將μC/OS-Ⅱ移植其中作為操作系統(tǒng)。其在提高開發(fā)效率、縮短開發(fā)周期，以及提高可靠性等方面的優(yōu)勢(shì)，可以很好地滿足工業(yè)控制器個(gè)性化、智能化的發(fā)展需要。
　　關(guān)鍵詞： PLC ARM μC/OS-Ⅱ 嵌入式控制器 移植
　　
　　1.引言
　　高空高壓帶電作業(yè)是指在不停電的狀態(tài)下對(duì)架空高壓線路進(jìn)行維修、更換設(shè)備等，以避免停電帶來的不便與損失。帶電作業(yè)已經(jīng)成為保證供電設(shè)備可靠運(yùn)行、提高電網(wǎng)運(yùn)行效率與質(zhì)量的重要手段；其經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益是無法估量的。自1999年我國(guó)開始進(jìn)行帶電作業(yè)機(jī)器人研究至今，取得了巨大的成果，但隨著智能控制技術(shù)的不斷提高，節(jié)能、低功耗且穩(wěn)定性與實(shí)時(shí)性并舉成為工業(yè)控制機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)，具有嵌入式系統(tǒng)的控制器不僅可以滿足這方面的需要，在可擴(kuò)展性方面也表現(xiàn)得十分出色。
　　基于ARM的開放式控制系統(tǒng)不僅價(jià)格合理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且移植性好，能夠?qū)崿F(xiàn)功能模塊的最大化擴(kuò)展。這些功能模塊全部連接在總線上，互不影響、切換快速。這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)于提高高壓帶電作業(yè)機(jī)器人的整體工作性能、效率與質(zhì)量具有重大的作用。因此本文設(shè)計(jì)了基于ARM的嵌入式控制器，采用模塊化結(jié)構(gòu)，對(duì)于嵌入式技術(shù)的發(fā)展具有一定的技術(shù)意義。
　　本課題項(xiàng)目高壓帶電作業(yè)機(jī)械手的控制車的設(shè)計(jì)圖如圖1。
　　2.硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　帶電作業(yè)機(jī)器人嵌入式控制器的設(shè)計(jì)主要包括硬件層和內(nèi)核層，按照本控制器的設(shè)計(jì)理念，硬件層應(yīng)滿足實(shí)時(shí)性、可擴(kuò)展性、低成本，以及基于標(biāo)準(zhǔn)的總線結(jié)構(gòu)。
　　2.1微控制器
　　其采用了PHILIPS公司的ARM7TDMI-S核、總線開放的單片機(jī)LPC2292。LPC2292是世界首款可加密的具有外部存儲(chǔ)器接口的ARM芯片，具有零等待256KB的片內(nèi)FLASH，16KB的SRAM，可簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高性能及可靠性。芯片內(nèi)部具有UART、硬件I2C、SPI、PWM、ADC、定時(shí)器和CAN等眾多外圍部件，功能強(qiáng)大；144引腳LQFP封裝，3.3V和1.8V系統(tǒng)電源，內(nèi)部PLL時(shí)鐘調(diào)整，功耗低。
　　2.2整體設(shè)計(jì)
　　LPC2292具有144引腳的封裝、非常低的功耗、若干個(gè)32位定時(shí)器、8路10位ADC轉(zhuǎn)換器、2路CAN接口，以及PWM通道和9個(gè)外部中斷引腳，這使其特別適用工業(yè)控制應(yīng)用以容錯(cuò)維協(xié)議轉(zhuǎn)換器及許多其他應(yīng)用中護(hù)總線。此外，LPC2292內(nèi)部含有76（使用了外部存儲(chǔ)器）到112個(gè)（單片）可用GPIO口。并且含有寬范圍的串行通信接口，因此非常適合應(yīng)用于通信網(wǎng)關(guān)。
　　3.控制系統(tǒng)軟件
　　3.1實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)介紹
　　實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是繼傳統(tǒng)的前后臺(tái)系統(tǒng)后，針對(duì)其及時(shí)性比較差的問題而出現(xiàn)的一段在嵌入式系統(tǒng)啟e686a0073f96efbf20129534202bf466502cd9d971f0ebd74aca02385b63333f動(dòng)后首先執(zhí)行的背景程序，用戶的應(yīng)用程序是運(yùn)行于RTOS之上的各個(gè)任務(wù)，RTOS根據(jù)各個(gè)任務(wù)的要求，進(jìn)行資源管理、消息管理、任務(wù)調(diào)度及異常處理等工作。在RTOS支持的系統(tǒng)中，每個(gè)任務(wù)均有一個(gè)優(yōu)先級(jí)，RTOS根據(jù)各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，動(dòng)態(tài)的切換各個(gè)任務(wù)，保證對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。
　　隨著智能控制的發(fā)展，以及工業(yè)化水平的不斷提高，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的應(yīng)用是十分必要的。首先，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的可靠性，提高了開發(fā)效率縮短了開發(fā)周期；其次，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)充分發(fā)揮了32位CPU的多任務(wù)潛力，特別適合于運(yùn)行多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)。在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)環(huán)境下開發(fā)實(shí)施應(yīng)用程序使得程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易，不需要大的改動(dòng)就可以增加新的功能。通過將應(yīng)用程序分割成若干獨(dú)立的任務(wù)模塊，使應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過程大為簡(jiǎn)化；而且對(duì)實(shí)時(shí)性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的處理，通過有效的系統(tǒng)服務(wù)，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)使得系統(tǒng)資源得到更好的利用。
　　常見的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有：嵌入式Linux、VxWorks、OSE、eCos、μC/OS-Ⅱ。
　　3.2實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的比較與選擇
　　VxWorks操作系統(tǒng)成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適合小型應(yīng)用；Linux操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，產(chǎn)品化和商業(yè)化程度不夠，即使在Linux本來的PC目標(biāo)環(huán)境下，也難尋理想的技術(shù)支持，更不用說嵌入式環(huán)境下的Linux，這方面的弱勢(shì)對(duì)批量生產(chǎn)、大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行使用的工業(yè)化產(chǎn)品來說是致命的。因此，本文選擇μC/OS-Ⅱ作為操作系統(tǒng)，其主要優(yōu)勢(shì)為：μC/OS-Ⅱ是一種免費(fèi)公開源代碼、結(jié)構(gòu)小巧、具有可剝奪實(shí)時(shí)內(nèi)核的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，成本低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、移植性能好、擴(kuò)展性能優(yōu)良。
　　4.μC/OS-Ⅱ的移植
　　4.1μC/OS-Ⅱ的簡(jiǎn)介
　　μC/OS-Ⅱ是一個(gè)完整的、可移植、固化、裁剪的占先式實(shí)施多任務(wù)內(nèi)核，并且是用移植性很強(qiáng)的C語言編寫的，與微處理器硬件相關(guān)的部分是用匯編語言編寫的，使其可以供不同架構(gòu)的微處理器使用，至今，從8位到64位，μC/OS-Ⅱ已經(jīng)超過40種體系架構(gòu)的處理器上運(yùn)行。雖然μC/OS-Ⅱ是在PC機(jī)上開發(fā)和測(cè)試的，但μC/OS-Ⅱ的實(shí)際對(duì)象是嵌入式系統(tǒng)，很容易移植到不同架構(gòu)的微處理器上。所謂移植，就是使一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核能在其他的微處理器或微控制器上運(yùn)行，要移植uC/OS，目標(biāo)處理器必須滿足以下要求：
　　1）處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼，且用C語言就可以開/關(guān)中斷；
　　2）處理器支持中斷，并能產(chǎn)生定時(shí)中斷（通常為10—100Hz）；
　　3）處理器能支持一定數(shù)量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)硬件堆棧（可能是幾千字節(jié)）；
　　4）處理器有將堆棧指針和其它CPU寄存器讀出并存儲(chǔ)到堆棧或內(nèi)存中的指令。
　　像Motorola6805系列的處理器就不能滿足上面的后兩項(xiàng)要求，所以μC/OS-Ⅱ不能在這類處理器上運(yùn)行。因此在了解啟動(dòng)代碼之前對(duì)于ARM體系結(jié)構(gòu)與啟動(dòng)過程的了解非常重要。
　　4.2移植工作
　　與處理器相關(guān)代碼是移植中最關(guān)鍵的部分，內(nèi)核將上層應(yīng)用程序和底層硬件結(jié)合成為一個(gè)整體，要使內(nèi)核使用與不同硬件層就需要在內(nèi)核與硬件之間有一中間層，這就是與處理器相關(guān)的代碼，處理器不同代碼也不同，移植時(shí)我們必須進(jìn)行修改；在進(jìn)行μC/OS-Ⅱ的移植時(shí)，我們也只需要修改這部分代碼即可。
　　1）OS_CPU.H中需要設(shè)置一個(gè)常量來標(biāo)識(shí)堆棧增長(zhǎng)方向；
　　2）OS_CPU.H中需要聲明幾個(gè)用于開關(guān)中斷和任務(wù)切換的宏；
　　3）OS_CPU.H中需要針對(duì)具體處理器的字長(zhǎng)重新定義一系列數(shù)據(jù)類型；
　　4）OS_CPU_A.ASM需要改寫4個(gè)匯編語言的函數(shù)；
　　5）OS_CPU_C.C需要用C語言編寫6個(gè)簡(jiǎn)單函數(shù)；
　　6）修改主頭文件INCLUDE.H，將上面的三個(gè)文件和其他的頭文件加入。
　　INCLUDES.H是一個(gè)主頭文件，它出現(xiàn)在每個(gè).C文件的第一行，#include“includes.h”。INCLUDES.H文件使得工程項(xiàng)目中的每個(gè).C文件無需分別考慮它實(shí)際上需要哪些頭文件。
　　OS_CPU.H包括了用#define語句定義的、與處理器相關(guān)的常數(shù)、宏，以及類型。與處理器相關(guān)的代碼為：
　　#define OS_CRITICAL_METHOD2
　　#define OS_ENTER_CRITICAL（）ARMDisablet_int（）
　　#define OS_EXIT_CRITICAL（）ARMEnable_int（）
　　
　　#define OS_STK_GROWTH 1
　　#define OS_TASK_SWOSCtxSw
　　全局函數(shù)聲明：
　　extern void OSCtxSw（void）;
　　extern void OSIntCtxSw（void）;
　　extern void ARMDisableInt（void）;
　　extern void ARMEnableInt（void）;
　　extern void OSTickISR（void）;
　　OS_CPU_C.C在μC/OS-Ⅱ的移植中需要編寫以下10個(gè)函數(shù)：
　　OSTaskStkInit（）
　　OSTaskCreateHook（）
　　OSTaskDelHook（）
　　OSTaskSwHook（）
　　OSTaskIdleHook（）
　　OSTaskStatHook（）
　　OSTimeTickHook（）
　　OSInitHookBegin（）
　　OSInitHookEnd（）
　　OSTCBInitHook（）
　　在這里我們移植OS_CPU_C.C文件時(shí)，需要編寫的是任務(wù)堆棧初始化函數(shù)OSTaskStkInit和時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)鉤子函數(shù)OSTimeTickHook。
　　μC/OS-Ⅱ的移植需要改寫OS_CPU_A.ASM中的4個(gè)函數(shù)：
　　OSStartHighRdy（）
　　OSCtxSw（）
　　OSIntCtxSw（）
　　OSTickISR（）
　　如果編譯器支持插入行匯編代碼，就可以將所有與處理器相關(guān)的代碼放到OS_CPU_C.C文件中，而不必再有單獨(dú)的匯編語言文件。
　　4.2μC/OS-Ⅱ的測(cè)試
　　當(dāng)做完μC/OS-Ⅱ的移植后，緊接著就是驗(yàn)證其是否正常工作，首先應(yīng)該測(cè)試內(nèi)核自身的運(yùn)行狀況，可以在沒有應(yīng)用程序的情況下進(jìn)行測(cè)試，也就是讓內(nèi)核自己測(cè)試自己。這樣不僅可以使事情簡(jiǎn)單化，而且可以很清楚地發(fā)現(xiàn)問題是移植本身的問題而不是應(yīng)用代碼產(chǎn)生的問題。如果一些簡(jiǎn)單程序和時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)子程序可以運(yùn)行起來，那么添加應(yīng)用程序就非常簡(jiǎn)單了。
　　5.結(jié)語
　　本文針對(duì)如今高壓帶電作業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)作業(yè)中存在的一些問題，提出了基于ARM的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)，其可移植性、可擴(kuò)展性、可交換性，以及高效低成本的顯著優(yōu)勢(shì)，不僅縮短了開發(fā)周期、提高了設(shè)備實(shí)時(shí)性、優(yōu)化了工作效率，而且其低功耗起到了節(jié)能的作用。可見，這種設(shè)計(jì)將是未來工業(yè)機(jī)器人智能化發(fā)展的必然趨勢(shì)。
　　
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