基于μC/OS—II水下異物打撈操作機控制系統的設計

曾源　李振卿

摘 要：核電站大修過程中水池區域可能會出現一些需要打撈的異物。針對異物打撈，該文提出了一種基于?C/OS-II嵌入式操作系統的核用水下異物打撈操作機的設計方法。硬件上將各功能節點模塊化，采用RS485總線通訊方式，便于系統擴展及維護；軟件上將?C/OS-II嵌入式操作系統移植于微處理器中，實現了系統的實時性，同時增強了系統的冗余性。現場水下試驗證明，該打撈操作機具有較強的可靠性，同時也驗證了該設計方法的可行性和有效性。

關鍵詞：水下機器人；通訊總線；嵌入式操作系統；異物打撈；微處理器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.247

1 引言

核電站在大修期間的工作過程中水池里可能有一些異物需要打撈，這些區域通常是人員無法到達的并且可能具有放射性。為此，電站有必要開發具有多自由度的操作機和智能系統應用于反應堆堆芯及構件水池等水下環境中精確打撈。

本文所論述的水下異物打撈操作機應用于核電站日常運行或停堆換料大修期間，乏燃料水池、傳輸池、構件池及堆芯水池滿水情況下，對一些特殊位置進行視頻檢測及異物打撈，以消除異物對電站可能造成的影響，具有重量輕、可靠性高、操作靈活等特點。

2 總體系統設計

隨著自動控制技術的應用和發展，控制系統越來越復雜。控制應用系統已從單機逐漸向多機聯網的方向發展，這就需要單機之間或單機與微機之間組成網絡以進行相互通信。現有的各種通訊網絡總線產品，由于其兼容性差、造價高、維護不便等方面的原因，未能得到普遍應用。

RS485總線作為一種簡易、廉價的通信技術，其收發器采用平衡驅動和差分接收，具有抑制共模干擾的能力。總線上允許帶多個驅動器和接收器，最新的收發器可帶128個節點，用于構建多點通信網絡。由于RS485總線具有設備簡單、價格低廉、能進行長距離通信的特點，故在工程中得到了廣泛應用[1]。

本系統采用分布式控制系統（Distributed Control System，DCS），網絡物理拓撲結構采用總線型結構，如圖1所示。在這種結構中，所有節點連接到一條總線上，每個節點發送的數據可以同時被所有節點接收，但是每個節點只接收本節點目的地址的數據，所以每次只允許一臺設備發送數據。這種網絡結構簡單，系統可大可小，易于擴展，是目前廣泛應用的一種形式。

通過對分布式系統中不同節點進行功能層次劃分，即得到了分層式體系結構，如圖2所示。這種結構能很好的解決智能和控制精度的關系，但在靈活性、實時性和適應性方面存在缺陷。

該體系結構包括運動規劃決策層、任務層和執行子模塊三個層次。運動規劃決策層完成一些高層的規劃決策以及傳遞給用戶必要的信息并接受用戶的指令；任務層即協調層，包括對用戶指令的解析以及一些可以不在上層控制下自主執行的行為，比如避碰、低電壓保護、限位、預定動作等。控制子模塊即執行控制層，則是把用戶指令轉化為實際功能執行動作，或者用自動控制理論和方法高速地控制執行器的運作。

圖3為總體系統結構框圖，其中控制機箱作為運動規劃層，負責完成用戶指令的讀取、圖像的采集壓縮存儲等；各通訊控制卡作為協調層，負責完成對規劃層命令的解析、一些保護動作的自主執行以及各功能模塊間的信息通信；驅動模塊作為執行層，負責完成對執行機構的運動控制以及過流、過熱等自我保護反饋的執行[2]。

3 系統電路設計

在設計過程中，發現各節點在接口以及功能特點上具有一定的相似性，節點控制器可以設計成一塊通用的控制卡來完成各項功能，實現各節點模塊化，同時具有方便擴展、適應性強等特點。

3.1 控制器的選取

控制器是整個控制系統的核心部件，直接影響到控制系統的功能和性能。因此，合理選用控制系統的核心控制器，對系統的設計至關重要。

根據各節點功能的要求，須要求控制器具備串口、PWM口、SPI口、多個I/O口、AD等常用接口。故此，選擇了TI公司推出的MSP430F149作為主處理器，這是一類具有16位總線帶Flash的單片機，由于其性價比和集成度高，受到了廣大技術開發人員的青睞。該控制器可以在超低功耗模式下工作，可靠性能好，加強電干擾運行不受影響，適應工業級的運行環境[3]。

3.2 視頻差分傳輸電路的設計

作為一類主要依據視頻圖像完成現場作業的機器人來說，視頻圖像的質量直接影響到了現場操作的準確性。視頻信號在傳輸過程中對各種干擾信號非常敏感，又需要長距離傳輸，并且現場有多類大型設備運行，此處考慮采用雙絞線方式傳輸視頻信號。

能夠用于視頻信號傳輸系統中驅動雙絞線的電路有多種形式，可以采用分立元件，也可以采用運算放大器，且有多種運算放大器可以完成單端信號到差分信號的轉換。

Intersil公司的EL5171是一款250MHz低功耗集成差分寬帶放大器，輸入信號是單端而輸出信號始終是差分形式，因而主要用于視頻傳輸應用中驅動雙絞線。其發送原理圖如圖4所示。

EL5171內部的IN-與REF連接在一起成為REF腳，REF腳的信號為共模信號的一部分，也是差模信號的一部分。為了達到真正的平衡差分輸出，REF腳必須與IN+有相同的偏置電平。對5V供電，由于IN+腳使用一個R3=75Ω的終端電阻被偏置為0V，故REF腳也應下拉接地。

視頻信號在雙絞線中傳輸時，由于電阻損耗、介質損耗及輻射損耗，信號功率從進入傳輸線傳送到負載時會衰減掉一些，且衰減量的大小與傳輸距離和信號頻率有關，傳輸距離越遠，信號頻率越高衰減越大。經過一定距離的傳輸視頻圖像就會變得不清晰，尤其是高頻部分，表現為圖像的邊緣處模糊不清，整體亮度偏暗。因此在發射端必須設置一定的增益，在接收端進行頻率加權補償，即頻率越低增益越低，頻率越高增益越高，對不同頻率呈現不同的傳輸特性。R1、R2、C2、C3、R15、R16的作用就是設定放大器的基本增益。endprint

4 系統軟件設計

控制系統的軟件是整個控制系統正常運行的重要環節之一，系統軟件的質量直接關系到系統功能的實現。傳統的軟件控制系統大多采用一個前后臺系統，軟件結構采用單任務的順序機制，即應用程序是一個無限循環，循環中調用相應的函數來完成對應的操作，而與時間相關性較強的事件靠定時中斷來保證。這種方式編程較為直觀，但當系統功能較為復雜時，這種單任務機制很難保證系統的實時性與可靠性。

基于此問題，針對所設計系統功能的復雜性，本文將實時操作系統?C/OS-II應用于系統的軟件編程，通過將系統功能細化為幾個核心任務，由?C/OS-II實時內核進行調度，實現了多任務的并行運行，大大地提高了系統的實時性和可靠性。同時在軟件設計時，采用了一種模塊程序設計法，即把整個程序過程分成若干個部分、封裝成獨立的函數模塊，這樣易編寫調試，并且一個模塊可被多個任務在不同條件下調用。

4.1 ?C/OS-II在MSP430上的移植

嵌入式實時操作系統?C/OS-II是基于優先級的搶占式實時多任務操作系統，包含了實時內核、任務管理、時間管理、任務通信同步（信號量，郵箱，消息隊列）和內存管理等功能[4]。絕大部分代碼用C語言寫成，與硬件相關部分用匯編語言編寫，而且它的源代碼是公開免費的。它是面向中小型嵌入式系統的，包含全部功能模塊的內核大約為10K，如果經過裁減只保留核心代碼，則可壓縮到3K左右。

?C/OS-II是針對嵌入式系統編寫的，移植起來十分方便，只需改動部分與硬件相關的代碼即可。?C/OS-II的體系結構如圖5所示。

?C/OS-II的移植主要集中在三個文件：OS_CPU.H、OS_CPU_C.C和OS_CPU.ASM。

（1）OS_CPU.H文件的修改：定義數據類型為?C/OS-II系統可用類型；定義開關中斷兩個宏為處理器相應得開關中斷函數；設置堆棧增長方向與處理器相一致；任務級任務切換函數OS_TASK_SW（）的定義； （2）OS_CPU_C.C文件的修改：聲明10個C函數，除堆棧初始化函數*OSTaskStkInit（）外，其余函數只需聲明不必包含代碼； （3）OS_CPU.ASM文件的修改：最高優先級任務開始函數OSStartHighRdy（）的編寫；任務級任務切換函數OSCtxSw（）的編寫；中斷級任務切換函數OSIntCtxSw（）的編寫；時鐘節拍中斷服務程序的編寫，根據實際編寫一般定時器或看門狗定時器設置的時鐘節拍。

4.2 軟件系統的設計

軟件是在IAR公司的Embedded Workbench下開發的，它提供了方便且功能豐富的界面，使開發和調試的效率大大提高。我們采用它作為開發平臺，用C語言來設計系統軟件。根據系統的性能指標和技術要求，將應用程序劃分為以下幾個任務塊：

（1）與上位通訊任務：采用通用的RS485的通訊方式，實現上下位機間的控制及傳感器信息的傳遞； （2）各傳感器信息采集任務：主要對操作機本體上各傳感器數據進行相應采集處理，實現上位機對操作機位姿及運動的控制； （3）車體運動控制任務：實現對操作機速度、位置的控制；（4）云臺運動控制任務：實現對攝像機二維云臺速度、位置的控制；（5）機械手運動控制任務：實現對機械手大臂、小臂、旋轉、手指多自由度運動的控制，

通過劃分任務，制定各任務的優先級，實現應用程序的調度過程，即各任務運行狀態的切換、任務之間的通訊實現以及各任務相互配合以完成系統功能。

5 結論

該設計方法，為多功能、復雜系統提供了一種新的解決方案。硬件上采用總線方式通信、模塊化設計，減少了系統配線，提高了可靠性，易于系統的維護及功能擴展[5]；軟件上采用嵌入式操作系統，實現了多任務的并行運行，大大地提高了系統的實時性和可靠性。據此方法投產的核用水下異物打撈操作機已成功應用于核電站，設備運行情況良好，滿足實際工況需要，縮短了關鍵路徑的時間，節約成本，為大修服務人員提供了便利，也為核電站的安全運行提供了保障。

參考文獻：

[1]郝銘，劉景泰，盧桂章.基于RS485總線分布式智能控制系統的設計與實現[J].自動化與儀表，2005，20（02）：23—25.

[2]竇普，蔡根，黃冰峰等.基于CAN總線移動機器人控制系統的設計[J].計算機測量與控制，2011，19（12）：2975—2978.

[3]魏小龍.MSP430系列單片機接口技術及系統設計實例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[4] 邵貝貝等譯.Labrosse Jean J.嵌入式實時操作系統?C/OS-II（第2版）[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[5]李治洋，郭威，葛新.模塊化水下機器人控制系統設計[J].機械設計與制造，2012（01）：36-38.

作者簡介：曾源，男，湖南人，工程師，本科，主要從事：換料設備維修。endprint