CPT系統(tǒng)中的嵌入式控制系統(tǒng)體系構建

陳小娟

（重慶電子工程職業(yè)學院，中國 重慶400030）

0 引言

隨著科學技術的不斷發(fā)展，社會經濟飛速前進，在社會、企業(yè)和家庭中電氣化設備日益增多，成為現(xiàn)代化生產和生活工具的主流。 對于一些電氣設備，傳統(tǒng)供電方式限制了它們的普及和使用靈活性，同時給安全供電和環(huán)境安全問題帶來了很大的影響。隨著人們生活以及生產活動范圍的擴大，人們迫切需要一種新型的電能傳輸技術來滿足新型電氣設備及各種特殊條件下的供電需求。 而CPT 系統(tǒng)采用基于電磁感應耦合原理的非接觸式電能傳輸技術，克服了傳統(tǒng)供電模式的種種不足[1]。

現(xiàn)今，人們對ARM(Advanced RISC Machines)已有深入了解，亦逐步認識到8 位MCU、32 位ARM、DSP（Digital Signal Processor）各自的優(yōu)勢所在。 在很多情況下，一個優(yōu)秀的系統(tǒng)，既需要ARM 的超強事務管理功能，更需要DSP 的運算功能，兩者缺一不可。 DSP 由于其特殊的結構、專門的硬件乘法器和特殊的指令，使其能快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理及滿足各種高實時性要求。隨著現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)的復雜度越來越高，操作系統(tǒng)已成為嵌入式系統(tǒng)不可缺少的部分。 而嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)免費的嵌入式操作系統(tǒng)，如Linux，它是一個免費的、強大的、可信賴的、具有可伸縮性與擴充性的操作系統(tǒng)。Linux 實現(xiàn)了許多現(xiàn)代化操作系統(tǒng)的理論，并且支持完整的硬件驅動程序、網絡通信協(xié)議與多處理器的架構，其源碼的公開更有利于操作系統(tǒng)嵌入式應用[2]。

基于上述分析， 本文針對CPT 系統(tǒng)的性能要求提出了基于ARM和DSP 芯片的嵌入式系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用了ARM 和DSP 的各自特點，使用ARM 和DSP 芯片進行協(xié)同開發(fā)。 操作系統(tǒng)則選用了源代碼開放的Linux，以利于充分發(fā)揮系統(tǒng)的效能。

1 引入嵌入式技術的必要性

在CPT 系統(tǒng)中引入嵌入式技術的理由有以下兩點：

（1）從目前的角度出發(fā)，首先，CPT 系統(tǒng)需要一個能夠提供監(jiān)視、控制、多進程、可實現(xiàn)實時或非實時的任務、可人工手動控制亦可自動運行等功能的智能控制系統(tǒng)；其次，嵌入式系統(tǒng)體積小、結構緊湊，可作為一個部件埋藏于所控制的裝置中，它提供用戶接口、管理有關信息的輸入輸出、監(jiān)控設備工作，使設備及應用系統(tǒng)有較高智能和性價比；再者，目前微處理器可選用DSP、單片機和ARM 系列等，雖然目前國內工業(yè)控制場合中用的嵌入式工控設備大多采用的是以8 位單片機（MCS-51）為內核，有價格低廉、設計較容易、能達到一般要求的優(yōu)點，但也存在著存儲容量小、獨立工作時功能較弱、較強功能要與PC機聯(lián)機才能實現(xiàn)、實時性能不強、定位精度不高、人機交互復雜、操作不方便等缺點， 且CPT 系統(tǒng)要求的上述功能用單片機來實現(xiàn)是非常復雜的。 DSP 主要是用作大量的數(shù)據(jù)處理，在消費類產品中應用比較廣泛；ARM 微處理器在工業(yè)控制、手持設備中的應用則比較多，更主要的是ARM 能夠很容易地實現(xiàn)以上的功能。

（2）從未來的角度出發(fā)，首先，嵌入式系統(tǒng)是CPT 系統(tǒng)的部件，適用于對功能、體積、成本、可靠性、功耗有嚴格要求的CPT 系統(tǒng)或其它系統(tǒng)；其次，嵌入式控制系統(tǒng)還可應用于CPT 系統(tǒng)的故障診斷，且嵌入式系統(tǒng)接口的可擴展性和軟硬件可裁減的靈活性也是一大優(yōu)點，對將來系統(tǒng)的擴展或者裁減都十分方便。

2 系統(tǒng)整體設計及功能簡介

2.1 整體設計

本嵌入式控制系統(tǒng)的硬件資源如下：3.5 寸的液晶顯示屏能夠提供實時的顯示，用于顯示相關參數(shù)的工作菜單、采集的波形等；可接入PS/2 標準鍵盤； RS232 串行口或USB 接口用于與CPT 系統(tǒng)和PC 機連接；16M 的flash 用于存儲軟件代碼和保存系統(tǒng)設置參數(shù)；64M 的SDRAM 提供Linux 操作系統(tǒng)和控制軟件運行所需的存儲空間；JTAG接口用于調試； 另有五個面板按鍵用于手動控制CPT 系統(tǒng)。 在軟件上，由于采用較高性能的處理器及相關外圍硬件設備，系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信協(xié)議更加可靠、合理、易于擴展；32 位的數(shù)據(jù)處理能力可以實現(xiàn)對采集到的參數(shù)的高速處理；數(shù)據(jù)采樣頻率為500ksps；友好的人機交互使得對CPT 系統(tǒng)的參數(shù)的監(jiān)控極為方便。

本控制系統(tǒng)集成度更高、體積更小，既可作為嵌入式系統(tǒng)獨立工作，也可作為從屬功能設備由PC 機進行控制，以完成更復雜的工作。目前流行的嵌入式系統(tǒng)的設計模式是采用DSP+MCU 雙處理器，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和協(xié)同工作。 這樣，在滿足處理大運算量實時任務要求的同時，極大地降低了系統(tǒng)的設計成本。 單片機用來分擔部分實時性要求不高的系統(tǒng)任務，如系統(tǒng)配置管理、人機交互、通信等。但是，為了實現(xiàn)實時任務的調度， 軟件上必須結合嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)，才能真正實現(xiàn)實時控制[3]。

基于上述分析，我們選擇以DSP+ARM 為雙處理器，開發(fā)出CPT系統(tǒng)嵌入式控制系統(tǒng)體系構架。 系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。

圖1 總體硬件結構圖

2.2 功能簡介

在本系統(tǒng)中，ARM 作為主控制器負責整個系統(tǒng)的工作流程，任務調度，集中處理系統(tǒng)各部分中斷，完成與外部系統(tǒng)的通信。DSP 處理器主要完成對電路參數(shù)信號的處理并作出決策輸出何種波形。 ARM 主要用于決策，在本裝置中采用ARM 構架的嵌入式芯片S3C2410。 DSP作為數(shù)據(jù)運算部分， 可以充分發(fā)揮其對數(shù)字信號處理的獨特優(yōu)勢，本系統(tǒng)中采用的是TI 公司的RMS320LF2407 芯片，該系列的DSP 以其高性價比普遍應用于各類通信、便攜式應用當中。

2.3 硬件架構設計

在本系統(tǒng)中ARM 屬于決策層。 ARM 將CPT 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送給DSP，并且將得到的數(shù)據(jù)以波形顯示出來。 DSP 的主要作用是實現(xiàn)實時控制。 則對接收到的數(shù)據(jù)進行分析，校正后重新傳送給CPT。 ARM部分主要由觸摸屏、RS232 串口、USB 接口等與其他設備通信。該部分結構框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)結構示意圖

3 控制系統(tǒng)的軟件結構設計

如圖3 所示，控制系統(tǒng)的軟件結構可分為啟動代碼層、驅動程序層、操作系統(tǒng)層、系統(tǒng)組件層和應用程序（包括智能PID 控制算法模塊、人機通信模塊、A/D 采樣模塊、PWM 信號輸出模塊）五個層次。

圖3 智能控制系統(tǒng)軟件結構圖

3.1 啟動代碼層

啟動代碼類似于PC 機中的BIOS， 位于系統(tǒng)上電后pc 指針的初始位置，是最先執(zhí)行的程序。啟動代碼用于整個系統(tǒng)的初始化，使系統(tǒng)處于一種確定的狀態(tài)，為加載操作系統(tǒng)以及應用程序做準備。

3.2 驅動程序層

設備驅動程序是操作系統(tǒng)內核與硬件設備連接的接口，驅動程序屏蔽了硬件的細節(jié)。 在應用程序中硬件設備都以文件的形式存放在／dev 目錄下，稱為設備文件。 這些硬件部件包括LCD 顯示屏、A/D 轉換器、鍵盤等，應用程序可以打開、關閉和讀寫這些設備文件，完成對設備的操作，就像操作普通的數(shù)據(jù)文件一樣。 系統(tǒng)組件和設備驅動程序都是操作系統(tǒng)的一部分。

3.3 操作系統(tǒng)層

操作系統(tǒng)內核是整個軟件系統(tǒng)的核心，負責整個系統(tǒng)程序的協(xié)調工作，如任務調度、進程間通信、中斷處理、資源管理及分配等。在CPT控制系統(tǒng)的設計中，我們經過仔細的方案論證，選擇了裁減改造以后的Linux 作為嵌入式操作系統(tǒng)，本文將在第3 章中詳細論述改造的原理、方法和具體步驟。

3.4 系統(tǒng)組件層

該層軟件主要是一些可選擇安裝的模塊， 可根據(jù)不同的功能需要，操作系統(tǒng)可以添加不同的系統(tǒng)組件。 本文的CPT 控制系統(tǒng)中，主要選擇了以下模塊：

（1）文件系統(tǒng)。由于要顯示讀取控制信息，將文件系統(tǒng)從基本操作系統(tǒng)中分離出來，作為一個單獨的模塊，選擇了支持FLASHROM 的文件系統(tǒng)。

（2）TCP/IP 模塊。 TCP/IP 協(xié)議是計算機通信的工業(yè)標準，是訪問Internet 的基礎，采用該模塊是為了方便主機與目標板的通信，并且為CPT 控制的網絡化做準備。

（3）圖形界面模塊，主要提供給用戶良好的人機接口界面，增強了系統(tǒng)的可讀性和易操作性。本系統(tǒng)采用MiniGUI 提供圖形用戶界面的支持。

3.5 應用程序層

一個系統(tǒng)具有的多種功能，比如接收鍵盤輸入、顯示數(shù)據(jù)結果、接收采集數(shù)據(jù)等等。 類似這樣的動作被稱為事件，任何一個事件觸發(fā)之后，都會有相應的任務來管理這些事件。 這些任務的集合便組成了用戶的應用程序。 在CPT 控制系統(tǒng)中，開發(fā)了CPT 系統(tǒng)的鍵盤輸入、數(shù)據(jù)采樣、信息顯示、算法分析、信號輸出等應用程序。

3.6 主程序設計

主程序流程圖如圖4 所示。系統(tǒng)上電復位或按RESET 鍵復位，程序將從入口地址處開始執(zhí)行，進行系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)初始化結束后，開始執(zhí)行主程序。

圖4 系統(tǒng)總流程圖

系統(tǒng)初始化主要包括提供啟動代碼，用以完成對CPU 的初始化、外部FLASH/SDRAM 的片選初始化、系統(tǒng)初始頻率的初始化以及串口的初始化、時鐘模式寄存器TCON 等的設置。待初始化正常后，等待中斷請求，本系統(tǒng)把數(shù)據(jù)輸出反饋、周期實時采集設為實時任務響應，把人機對話設為非實時任務中斷，中斷向量表存放于一個子文件中。 一旦有允許中斷請求，CPU 被喚醒，進入活動模式，執(zhí)行中斷服務程序，執(zhí)行完畢后，系統(tǒng)返回到中斷前的狀態(tài)，ARM 繼續(xù)低功耗模式。

在整個過程中，需要完成的功能是：定時選通2 路A/D 轉換器對流入初級回路諧振網絡的電流和諧振網絡兩端電壓信號進行采樣、濾波；定時對處理好的采樣值得到 和 過零點的相位差，進行算法分析處理，輸出脈沖控制信號， 使 和 的相位差保持在一定范圍內變化； 接受中斷請求，處理鍵盤發(fā)送的數(shù)據(jù)，傳送顯示所需的數(shù)據(jù)。

圖5 采用智能PID 時諧振電容電壓波形局部放大

4 仿真結果

在常規(guī)PID 控制器參數(shù)確定之后，我們以此為依據(jù)進行智能PID控制器的設計，其具體控制參數(shù)根據(jù)經驗調試而得到。此時，初級回路的諧振電容電壓波形局部放大如圖5 所示，此結果表明采用智能PID控制器比采用常規(guī)PID 時初級回路諧振電容兩端的電壓波形畸變程度小很多。

5 結論

隨著嵌入式系統(tǒng)的飛速發(fā)展、社會對技術的要求越來越高，對非接觸式電能傳輸技術的需求也日益增長，而嵌入式系統(tǒng)的加入使得本CPT 系統(tǒng)的性能和工作效率得到了大大的提高，這在實驗仿真中已經驗證。

［1］杜雪飛,孫躍.混合電動車及其電氣驅動系統(tǒng)[J].重慶大學學報:自然科學版,2002,09:59-64.

［2］劉斌,李仲陽,ARM/DSP 雙核系統(tǒng)的通信接口設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2005,05:22-24.

［3］高佳,王愛民,于海.新型嵌入式電能質量監(jiān)測裝置的設計[J].現(xiàn)代電子技術,2005,16(207):26-28.

［4］方琳琳.基于嵌入式技術的CPT 系統(tǒng)的控制算法的研究與實現(xiàn)[D].重慶大學,2007.04:20-22.