基于嵌入式的單片機智能控制應用研究

周首杰，李 灣，明 瑞，周 賢，明興祖,

(1.湖南汽車工程職業學院，湖南 株洲 412000；2.湖南工業大學機械工程學院，湖南 株洲412007；3.湖北文理學院機械工程學院，湖北 襄陽 441053)

0 引言

嵌入式控制應用已深入到了每一種智能控制中，特別是隨著芯片性能的提高，嵌入式產品也越來越智能化，人性化[1]。嵌入式控制通常有順序結構、多任務等控制方式[2]。順序結構控制適用于簡單、沒有多任務同時執行控制的情況[3]。多任務控制能同時處理多個任務，高檔的嵌入式多任務系統有操作系統來做支撐，如手機就有安卓、蘋果等操作系統支撐，由操作系統來進行多任務管理。在工業控制中，趙俊囡等[4]研究和設計了一種基于XC2785 單片機和嵌入式實時操作系統的汽車運行參數記錄儀方案。采用嵌入式實時多任務操作系統可以提高系統效率、實時性及可靠性，但由于商業嵌入式實時多任務操作系統版權費高，特別是單片機嵌入式系統資源有限，對開發人員技術能力的要求較高，限制了嵌入式操作系統的應用[3,5]。

在工業產品控制中，還有一部分嵌入式系統是沒有操作系統來支撐的，其開發應用針對性和靈活性強。劉燚榮[2]、趙飛等[3]利用通用型嵌入式系統軟件框架，構建一個實時多任務控制機制，提供一套軟件定時器，實現了電力設備智能傳感器軟件快速開發。但這樣的多任務實時處理要由軟件設計工程師來完成多任務的管理，因此產生了相當大的難度[6]。本文在分析嵌入式控制中順序結構控制流程與特性的基礎上，根據小車多任務智能控制處理要求，提出了單片機多任務控制的方法與設計應用。

1 順序結構控制

1.1 順序結構控制程序流程

在嵌入式控制中，最簡單的就是順序結構，即一個任務接一個任務地完成，在完成了一個任務后再繼續完成另外一個任務。如圖1所示為智能小車行進路線圖，一輛智能小車，沿著粗實線往前走，要求在十字路口需自動往右拐彎。

圖1 智能小車行進路線

在圖1中，起始時刻給小車發出一個向前行駛的命令，由底層驅動機構執行小車前行，同時小車需不停檢測是否到了十字路口，小車主控CPU執行檢測任務。當檢測到了十字路口，小車主控CPU再向底層驅動機構發出停止命令，以完成該第1個任務。接著再準備第2個任務，向底層驅動機構發出右轉90°命令。第2個任務完成后，再進行第3個任務，即檢測右轉90°是否到位，如檢測右轉到位，第3個任務完成，接著是下一個任務，如此運行下去，直到整個任務執行完畢。小車前進右轉的順序結構程序流程如圖2所示。

圖2 小車前進右轉的順序結構程序流程

在順序結構程序控制的運行過程中，主控CPU發出前進命令，小車前進，同時主控CPU不停地等待檢測是否到達了十字路口。同理主控CPU發出右轉指令后，主控CPU也是在等待中檢測右轉到位信息。但由于是順序結構，上一個任務沒完成時，下一個任務是不能開啟的；只有在上一個任務完成后，下一個任務才會開始。

1.2 順序結構控制特性

順序結構控制是按工作流程一個接一個往下順序執行。在圖1嵌入式控制中，由于小車按照相應的路線依次完成每一個任務，中間不會穿插別的任務，不能加入人為控制命令，也不需要由主控CPU來控制顯示其他信息等，采用順序結構可以很好地完成控制，小車能自動完成所有任務，因此順序結構適用于簡單、沒有多任務同時執行控制的情況[7]。

CPU的PC指針控制。程序的執行是由CPU中的PC指針來控制的，PC指針決定著程序的執行過程。CPU當前要執行某條命令是由PC指針來指向該命令語句的所在地址。在1片CPU中只有1個PC指針，在一時刻點CPU只能運行1條語句[8]。任務由多條語句組成，所以任務也只能是一個一個地完成，不可能同時運行2個及以上任務。當執行中斷時，也是CPU停止運行現在的任務，轉而由PC指針轉向中斷服務程序地址，執行PC指針所指的中斷服務任務[9]。因此一個時刻是只能運行一條語句，一段時間內只能完成一個任務。

2 多任務控制

2.1 單片機多任務控制思路

隨著單片機運行速度的提升，單片機在嵌入式多任務智能控制中應用廣泛。例如單片機運行一條語句的速度可以用ns計，那么由幾十條甚至上千條語句所組成的一個完整的任務，單片機也只要幾個μs就可以完成[10]。如果沒有延時等待等過程，那么單片機運行完由多個任務所組成的系統也只要幾十ms，甚至更短的時間。ms級別的時間長度，實際應用中無法感知出來。實質上單片機執行任務還是有先后順序的，可以非?？斓靥幚矶鄠€任務，能夠在極短時間檢測到輸入信息，并根據輸入信息來完成相關任務，這也體現了單片機的實時處理功能。嵌入式多任務單片機控制就是按該思路進行設計和應用。

2.2 單片機運行速度對多任務控制的影響分析

在多任務執行過程中，單片機的運行速度關鍵。如果單片機的速度太慢，是無法做到多任務同時完成，實時處理的。現在的單片機運行速度都比較快，所以這一點在一般情況下不存在了。如果有單個的任務確實數據量很大，也可以選用更高級、速度更快的單片機；或者可以采用專用的大數據處理芯片來完成數據處理。設計人員在編程時要特別注意程序的運行速度，優化程序編寫。在完成一個任務時，如果編程者使用了大量的延時等待程序，讓CPU延時等待當前任務的完成，那么完成一個任務就需要較長時間，就不能感覺是同時處理多個任務；或者感覺到運行速度太慢，經常出現任務執行被卡住等現象，也可能造成有些任務根本無法完成[11]。因此，要合理設計延時等待程序的編寫。

單片機運行速度越快，任務完成的實時性也越好。每個任務的執行時間短，所有任務執行的時間也越短，人們感覺就是所有任務都是在同一時間段內同時完成。

2.3 多任務管理

每個任務的執行是要占用一定時間的。如果在每一輪程序運行循環中，每個任務都去執行一次，那是沒有必要的[12]。例如按鍵檢測任務，數碼管顯示任務等。按鍵可以快速按下去，再松開，整個過程可快到100 ms之內完成，但與CPU的運行速度相比是極慢的。所以按鍵檢測是可以用定時方式去檢測，例如在50 ms檢測1次就足夠了。數碼管顯示也是如此，由于人的視覺暫留，對每一張圖片是有100 ms時間保留在腦海中，也稱人類的視覺暫留功能，因此對數碼管可100 ms刷新1次；為防畫面閃爍，也可以是50 ms刷新1次。對如圖1中的小車行進是否到達十字交叉口的檢測，可以采用定時檢測的方式進行。由于小車的行駛速度較慢，可以是幾十ms檢測1次。

另外對于一些緊急的、重要的任務，還可采用優先等級的方式進行處理，比如按中斷服務程序中的優先等級制處理。

3 嵌入式多任務智能控制設計與試驗應用

3.1 嵌入式多任務智能控制設計

對于圖1的智能小車行進控制，小車在前進過程中，要求進行行進速度的顯示。采用2個數碼管來顯示小車的行進速度，設計的數碼管顯示小車速度電路原理如圖3所示。

圖3 數碼管顯示小車速度電路原理

從圖3中可以看出，2個數碼管是不可能同時顯示的，一次只能有一個數碼管點亮，須以很快的速度來對每個數碼管進行刷新，即2個數碼管顯示對應的2個任務要快速執行。同時，主控CPU還要不停地檢測小車是否到達十字路口，這又是另一個任務。主控CPU還有可能要接收通過WIFI組件發送過來的信息；同時也還要檢測按鍵等，所以此控制就有多個任務要求同時運行。

采用定時中斷來進行定時，可將定時器1設置成1 ms中斷1次，這樣就定了一個時間標準。如果要定時50 ms，那么就設置一個計數變量，在定時器中斷服務程序中進行計數，當計數50次后就是定時達到50 ms，設計的定時器中斷服務程序流程如圖4所示。

圖4 定時器中斷服務程序流程

在主程序中執行各任務，由于有了定時器定時，所以各任務就可在規定時間下分時執行。設計的多任務控制主程序流程如圖5所示。

圖5 多任務控制主程序流程

從圖5可以看到：每個任務的執行在主程序中不是每一次循環都執行，而是要等到相應的時間到了，輪到實施該任務時才執行；任務的執行按其性質不同，可根據經驗或者現場情況進行時間分配，有些任務可以執行次數少，而有些任務必須執行次數多，例如檢測是否到十字路口的程序，是每10 ms就運行1次，而顯示程序為了視覺舒服，需加快數碼管刷新速度，每30 ms刷新1個數碼管，而按鍵檢測程序在每50 ms檢測1次，使其程序少運行，以加快單片機的運行速度；對于特別重要的任務，或者是運行時間特別短的任務，也可以直接采取優先等級中斷服務程序的處理方式進行執行。

3.2 智能控制系統試驗應用

根據圖1的智能小車行進路線以及標志物，要求競賽小車在接到啟動命令后，須完全在自動模式下完成所有進程，設計的嵌入式單片機智能控制系統由STM32F103主控芯片和驅動芯片以及電機組成驅動系統，由安裝于小車前邊的傳感器和另一片STM32F103芯片組成路面檢測系統向主STM32F103發送信息。通過試驗得到該系統主要性能參數為：主頻設置為72 MHz，一條單周期指令運行時間為1/72 μs；完成一個到達十字交叉口的檢測任務信息，根據波特率設置成11 520，通信設置成9位二進制每幀，致使檢測一條信息不到0.1 ms，發送一個轉彎命令也不到0.1 ms；顯示任務時間更短，完成1個數碼管顯示只需要1 μs以內。該系統測試中，按鍵發出啟動命令，完成小車行進、在點檢測、轉彎命令等進程，并完成雙數碼管分段分時顯示行進速度任務。

4 結束語

在嵌入式的單片機智能控制中，通常有順序結構控制和多任務控制等方式，均需由單片機PC指針來控制程序每一個語句命令的執行，以及每一個任務的完成。順序結構控制下，通過分析其程序流程、控制特性，得出適用于控制簡單、沒有多任務同時執行控制的情況。根據多任務控制的需要，為實現感覺和視覺、實時性等應用問題，通過單片機運行速度對多任務控制的影響分析、多任務管理等研究，結合智能控制設計應用，采用運行速度高的單片機主程序進行合理的任務與等級安排、時間控制和優化編制延時等待程序，運用適合的定時檢測方式，以及優先等級制中斷服務程序處理，解決了智能小車嵌入式智能控制應用中多任務同時運行、實時執行的技術問題。