基于嵌入式操作系統(tǒng)的伺服軟件開發(fā)

摘 要：為了提高伺服系統(tǒng)的性能，在分析伺服結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分別采用μC/OS-Ⅱ和TI公司的DSP/BIOS嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行了某無刷電機(jī)伺服系統(tǒng)的軟件開發(fā)。介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件組成、軟件結(jié)構(gòu)及運(yùn)行過程，并對所設(shè)計(jì)的伺服系統(tǒng)軟件進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，所開發(fā)軟件滿足伺服控制要求，并對這兩種操作系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中的使用給出建議。

關(guān)鍵詞：伺服系統(tǒng)；無刷電機(jī)；嵌入式操作系統(tǒng)；μC/OS-Ⅱ；DSP/BIOS

中圖分類號(hào)：TJ765 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-5048（2013）05-0045-03

ServoSoftwareDesignBasedonEmbeddedOperationSystem

SONGYang1，ZHUPeihong2，YUEHongda2，NIUZhen2

（1.AviationTechnologyGuaranteeBranchofNED，Beijing100481，China；

2.ChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China）

Abstract：Onthebasisofanalyzingtheconfigrationofservo，respectivelybasedonembeddedoperatingsystemμC/OSⅡandTI’sDSP/BIOS，abrushlessmotorservosystemsoftwaredesignisdonetoimprovesystemperformance.Thisarticlebrieflyintroducesthehardwarecomposition，thesoftwarestructure andoperationprocess.Systemtestresultsshowthecorrectnessofthesoftwaredesign，andsomesuggestionsonhowtousethetwooperatingsystemsindesigningaregivenintheend.

Keywords：servosystem；brushlessmotor；embeddedoperatingsystem；μC/OSⅡ；DSP/BIOS

0 引 言

傳統(tǒng)的空空導(dǎo)彈伺服控制以模擬控制為主，近年來數(shù)字伺服控制得到了迅速的發(fā)展，無刷電機(jī)及軟件在導(dǎo)彈伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用，提高了伺服系統(tǒng)的性能，是發(fā)展中的主流。由于軟件的引入，也使伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)增加嵌入式軟件研制的內(nèi)容。

伺服軟件是伺服系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，為確保其研制質(zhì)量，除做好軟件的工程化開發(fā)和管理外，選擇適當(dāng)?shù)能浖_發(fā)環(huán)境也會(huì)取得事半功倍的效果。傳統(tǒng)的嵌入式軟件系統(tǒng)可以稱為前、后臺(tái)系統(tǒng)，基于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的軟件系統(tǒng)則體現(xiàn)多任務(wù)運(yùn)行的特點(diǎn)。改變傳統(tǒng)開發(fā)方式，在嵌入式操作系統(tǒng)下進(jìn)行伺服軟件開發(fā)是否具有一定的優(yōu)越性呢？本文以某伺服系統(tǒng)為背景，在嵌入式操作系統(tǒng)下對伺服系統(tǒng)軟件開發(fā)進(jìn)行了一些嘗試，以探索其優(yōu)越性。

1 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

某伺服系統(tǒng)由主要TMS320F2812、組合邏輯電路、三相橋功率變換電路、電流采樣及角位置檢測電路、點(diǎn)火、轉(zhuǎn)級(jí)控制電路及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。系統(tǒng)有兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的通道，兩個(gè)通道的結(jié)構(gòu)相同，由一片F(xiàn)2812進(jìn)行控制，系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)通過F2812的SCI接口接收控制指令；通過位置采樣獲得通道位置信息，輸出的PWM和DIR信號(hào)控制各功率管有序?qū)ㄊ篃o刷電機(jī)旋轉(zhuǎn)；輸出點(diǎn)火、轉(zhuǎn)級(jí)控制信號(hào)使能點(diǎn)火、轉(zhuǎn)級(jí)控制電路；通過SCI接口反饋系統(tǒng)狀態(tài)信息。

2 嵌入式操作系統(tǒng)

常用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有μC/OS-Ⅱ、VxWorks、Real-TimeLinux等，TI公司在其DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS中也提供了一種簡易嵌入式操作系統(tǒng)DSP/BIOS。由于本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的微處理器采用的是F2812且未配置片外存儲(chǔ)器，考慮到資源情況和移植的難易程度，使用μC/OS-Ⅱ和DSP/BIOS進(jìn)行了伺服軟件開發(fā)的嘗試。

2.1 μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)及移植

μC/OS-Ⅱ是多任務(wù)、可剝奪型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其內(nèi)核只有任務(wù)管理和任務(wù)調(diào)度，無文件系統(tǒng)、界面系統(tǒng)、外設(shè)管理等。常用的μC/OS-Ⅱ能管理64個(gè)任務(wù)，并提供任務(wù)調(diào)度與管理、內(nèi)存管理、任務(wù)間同步與通信、時(shí)間管理和中斷服務(wù)等功能，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和移植簡單等特點(diǎn)。

在F2812上應(yīng)用μC/OS-Ⅱ，需要進(jìn)行系統(tǒng)移植，移植的主要難點(diǎn)是編寫任務(wù)切換函數(shù)。常用的任務(wù)切換函數(shù)是一個(gè)中斷處理函數(shù)，該函數(shù)首先將要被掛起任務(wù)的CPU寄存器及程序返回地址推入任務(wù)棧，保存現(xiàn)場，然后將準(zhǔn)備就緒的最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)寄存器值從任務(wù)棧中恢復(fù)到寄存器中，使其進(jìn)入運(yùn)行態(tài)。任務(wù)切換函數(shù)可以用F2812的陷阱中斷TRAP指令觸發(fā)調(diào)用。F2812 CPU有近20個(gè)寄存器，TRAP指令觸發(fā)的中斷及中斷退出時(shí)會(huì)自動(dòng)保存和恢復(fù)ST0，AL，AH，PL，PH，AR0，AR1，ST1，DP，IER，DBGSTAT寄存器和程序返回地址。按照任務(wù)切換的要求，還需手工保存和恢復(fù)RPC，AR1H，AR0H，XAR2～XAR7，XT，ST1寄存器。任務(wù)級(jí)的任務(wù)切換示意性代碼如下：

_OSCtxSw：

將RPC，AR1H，AR0H，XAR2～XAR7，XT，ST1推入當(dāng)前堆棧

OSTCBCur->OSTCBStkPtr=SP OSTCBCur=OSTCBHighRdy OSPrioCur=OSPrioHighRdy

SP=OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr將RPC，AR1H，AR0H，XAR2～XAR7，XT，ST1從新堆棧中彈出IRET

2.2 DSP/BIOS操作系統(tǒng)

DSP/BIOS是一個(gè)簡易的嵌入式操作系統(tǒng)，是DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS提供的一套工具，無需移植即可直接應(yīng)用。DSP/BIOS主要包括以下組成部分：

（1）DSP/BIOS配置工具。該工具可用來創(chuàng)建和配置在應(yīng)用程序中使用的DSP/BIOS內(nèi)核對象、存儲(chǔ)器、線程及優(yōu)先權(quán)；

（2）DSP/BIOS系統(tǒng)分析工具。系統(tǒng)分析工具可以對應(yīng)用程序進(jìn)行各種類型的實(shí)時(shí)跟蹤，以了解應(yīng)用程序的運(yùn)行狀態(tài)和時(shí)間；

（3）DSP/BIOS實(shí)時(shí)內(nèi)核與API，通過調(diào)用API函數(shù)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)調(diào)度和運(yùn)行；

（4）芯片支持庫。用于簡化片上外設(shè)的配置和管理。遺憾的是，各版本的DSP/BIOS并未為F2812提供芯片支持庫。

應(yīng)用DSP/BIOS編制的程序主要特點(diǎn)是多線程調(diào)度及運(yùn)行。DSP/BIOS支持4種不同優(yōu)先級(jí)的線程：硬件中斷（HWI）、軟件中斷（SWI）、任務(wù)線程（TSK）、后臺(tái)線程（IDL）。它們的優(yōu)先級(jí)即實(shí)時(shí)性依次從高到低。任務(wù)線程與軟件中斷的區(qū)別在于每個(gè)任務(wù)線程都有自己的堆棧，因而占用存儲(chǔ)容量較多；任務(wù)間支持同步和通訊，一個(gè)任務(wù)可以掛起，直到必需的條件得到滿足，才得以繼續(xù)運(yùn)行，軟件中斷則做不到這一點(diǎn)。

基于DSP/BIOS的軟件開發(fā)過程如下：

（1）用配置工具建立應(yīng)用程序要用到的對象，如硬件中斷、軟件中斷和任務(wù)等；

（2）保存配置文件，系統(tǒng)會(huì)生成編譯和鏈接應(yīng)用程序時(shí)需要的庫文件；

（3）創(chuàng)建一個(gè)新的cmd文件，定義需要附加連接的段，DSP/BIOS允許在一個(gè)工程中有多個(gè)cmd文件；

（4）編寫應(yīng)用程序，可以使用C、C++、匯編語言；

（5）在CCS環(huán)境下編譯并鏈接程序；

（6）使用仿真器和DSP/BIOS分析工具來測試應(yīng)用程序；

（7）軟件開發(fā)好后，修改配置文件以支持硬件，并進(jìn)行測試。

3 基于操作系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

依據(jù)需求分析，本伺服系統(tǒng)軟件須具備的功能有：接收指令并解碼；位置采樣，對系統(tǒng)輸出位置進(jìn)行控制；依據(jù)指令要求，完成3種類型的自檢及點(diǎn)火、轉(zhuǎn)級(jí)控制；編碼系統(tǒng)狀態(tài)信息并輸出。分解相關(guān)要求形成如表1所示任務(wù)線程表，并編寫對應(yīng)的程序。

伺服系統(tǒng)軟件運(yùn)行過程為：

（1）系統(tǒng)初始化后，各任務(wù)處于掛起態(tài)；

（2）500μs的位置控制中斷輸出上一周期運(yùn)算得到的PWM、DIR信號(hào)、采樣位置，并計(jì)算本次的PWM及DIR值，發(fā)出啟動(dòng)接收指令、解碼任務(wù)線程的消息；

（3）接收指令、解碼任務(wù)線程經(jīng)SCI接收指令并進(jìn)行解碼，獲得各通道位置要求值，并依據(jù)不同的指令要求，向?qū)?yīng)任務(wù)發(fā)出消息；

（4）各任務(wù)收到消息后，由掛起態(tài)轉(zhuǎn)入運(yùn)行態(tài)，執(zhí)行任務(wù)。

因?yàn)镈SP/BIOS中的硬、軟件線程實(shí)時(shí)性要高于任務(wù)，因此，采用DSP/BIOS操作系統(tǒng)時(shí)，對不需要在運(yùn)行中掛起的任務(wù)選擇了軟件中斷線程。

4 軟件在片內(nèi)Flash運(yùn)行的配置

基于DSP/BIOS的軟件通常采用仿真器在RAM中開發(fā)調(diào)試，最終脫離開發(fā)環(huán)境駐留在Flash運(yùn)行時(shí)需要調(diào)整一些配置。

（1）MEM-MemorySectionManager屬性的5個(gè)選項(xiàng)卡應(yīng)配置如下：General卡各項(xiàng)配置到RAM；BIOSData卡除DSP/BIOSInitTables（.gblinit）項(xiàng)配置到Flash外，其余配置到RAM；BIOS Code卡除InterruptServiceTableMemory（.hwi_vec）項(xiàng)配置到PIEVECTRAM（0xd00開始）外，其余配置到Flash；CompilerSections卡除CVariables Section（.bss）、（.ebss），DataSection（.Cio）3項(xiàng)配置到RAM外，其余配置到Flash；LoadAddress卡所有項(xiàng)配置到Flash；

（2）將.hwi_vec段從加載地址拷貝到運(yùn)行地址。拷貝過程放在Main（）中，DSP/BIOS會(huì)生成一些全局符號(hào)幫助確定加載地址、運(yùn)行地址和.hwi_vec段的長度。編譯器運(yùn)行支持庫包含一個(gè)內(nèi)存拷貝函數(shù)memcpy（），可以完成這個(gè)任務(wù)。具體程序如下：

EALLOW；

memcpy（&hwi_vec_run_start，&hwi_vec_run_loadstart，&hwi_vec_run_loadend-&hwi_vec_run_loadstart）；

EDIS；

（3）將.trcdata段從加載地址拷貝到運(yùn)行地址。與.hwi_vec段不同，拷貝.trcdata段必須在main（）之前進(jìn)行。為在main（）之前執(zhí)行拷貝和DSP/BIOS初始化，配置工具提供了一個(gè)初始化函數(shù)，在System_GlobalSettings的Properties中選擇CallUserInitFunction，并在UserInitFunction輸入框內(nèi)輸入U(xiǎn)serInit，對應(yīng)的拷貝程序如下：

VoidUserInit（void）

{

memcpy（&trcdata_runstart，&trcdata_loadstart，&trcdata_loadend-&trcdata_loadstart）

}

（4）在新的cmd文件中設(shè)置需要在RAM中運(yùn)行的程序段加載地址和運(yùn)行地址的鏈接命令。

5 切換時(shí)間的比較

多任務(wù)切換及運(yùn)行的缺點(diǎn)主要是需占用一定的存儲(chǔ)器和CPU資源，為比較μC/OS-Ⅱ和DSP/BIOS在任務(wù)切換時(shí)所需的時(shí)間，對本軟件一些切換時(shí)間進(jìn)行了粗略的測試和估計(jì)。本系統(tǒng)CPU時(shí)鐘為100MHz，測試結(jié)果為μC/OS-Ⅱ任務(wù)間切換時(shí)間約為2.4μs（程序在RAM中運(yùn)行）或3.2μs（程序在Flash中運(yùn)行）；DSP/BIOS由硬件中斷切換到軟件中斷3.97μs，軟件中斷切換到軟件中斷7.35μs，任務(wù)線程切換到軟件中斷10.03μs（DSP/BIOS內(nèi)核在ROM中運(yùn)行）。（下轉(zhuǎn)第57頁）

6 結(jié)論與建議

對所開發(fā)的實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行了要求項(xiàng)目的功能和性能測試，測試結(jié)果表明系統(tǒng)功能及時(shí)域和頻域性能指標(biāo)均處在要求的范圍內(nèi)，由此認(rèn)為，基于嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)的伺服系統(tǒng)軟件可以滿足系統(tǒng)的控制要求。

傳統(tǒng)的前、后臺(tái)軟件開發(fā)方式完全可以滿足伺服系統(tǒng)軟件的開發(fā)且運(yùn)行效率較高，但在操作系統(tǒng)下開發(fā)軟件可以提高開發(fā)效率，特別是復(fù)雜的應(yīng)用程序，將整個(gè)軟件分解成多個(gè)任務(wù)線程分別開發(fā)時(shí)不必考慮其他任務(wù)線程的影響，符合軟件工程的解耦原則。同時(shí)，軟件的結(jié)構(gòu)清晰，易于維護(hù)和管理。主要缺點(diǎn)是增加了額外的系統(tǒng)存儲(chǔ)資源和CPU負(fù)荷。對F2812而言，由于DSP/BIOS不必移植，操作系統(tǒng)的API函數(shù)均作為庫函數(shù)提供，因而具有高的可靠性，無特殊要求時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用，當(dāng)對實(shí)時(shí)性有較高要求時(shí)則可采用μC/OS-

Ⅱ。如DSP/BIOS的內(nèi)核API函數(shù)也能在RAM中運(yùn)行時(shí)，最好選擇DSP/BIOS。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳永忠，程文娟，鄭淑麗，等.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ教程[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

[2]LabrosseJJ.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ[M].2版.邵貝貝，等譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[3]彭啟琮，管慶.DSP集成開發(fā)環(huán)境—CCS及DSP/BIOS的原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[4]AlterMD.RunninganApplicationfromInternalFlash MemoryontheTMS320F28xxxDSP[M].TISPRA958H，2008.

[5]蘇奎峰，呂強(qiáng)，常天慶，等.TMS320X281xDSP原理及C程序開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[6]曹磊范彩霞.基于DSP/BIOS的門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代，2010（6）：26-28.