μC/OS-II在压力测控系统中的应用

0引言

    工业色谱仪是是一种大型流量分析仪器，主要用于石化、炼油、钢铁等行业。针对色谱仪的研究也有很长的历史[1]，而在色谱仪中，对压力的检测和控制是至关重要的。在文献 [2]中，作者设计的压力测控装置在各个方面均有了很大改进，但是在该智能压力控制板中主要采用的是 PID算法，其稳定性较差，控制板在系统升级方面有诸多不便，实时性能较差。由于每次升级系统的程序都要重写，因此，其在成本方面相对较高，可移植性差。

    鉴于上述原因，本文将采用嵌入式实时操作系统 µC/OS-II，µC/OS-II嵌入式操作系统是由美国人 Jean J.Labrosse先生编写的，并在 2000年 7月在美国一个航空项目中的得到了美联邦航空管理局对于商用飞机、符合 RTCA DO-178标准的认证。能用于与人类性命攸关的、安全性条件极为苛刻的场合 [3]。该操作系统是开源的、免费的，使得该操作系统在国内得到广泛的应用，目前该系统的应用已经覆盖照相机、医疗器械、音响设备、发动机控制以及自动提款机等等[4][5]。
文献[2]中的压力智能测控系统采用由美国 Cygnal公司生产的完全集成混合信号系统级芯片 C8051F041[6]。因此，本文将首先介绍压力智能控制板的硬件电路，然后针对硬件电路，将 µC/OS-II移植到单片机 C8051F041中，并编写相应驱动程序。

1 系统硬件设计

    由于所设计的电路图是由笔者设计，并经过现场验证的，该系统的详细设计过程见参考文献[2]，此处将不再对整个电路的设计过程作详细描述，这里只加以说明。其硬件结构下图：

    系统采用了 C8051F041做 CPU，该芯片片内集成 12位 AD转换器、 DA转换器以及 CAN控制器，选用该芯片的好处就是大大节约了装置的体积，给整个系统的安装带来方便。脉宽调制器采用 LM3254，压力传感器选用霍尼韦尔压力传感器。

2 µC/OS-II在 C8051F041上的移植

    为了提高代码的可移植性，以及缩短开发周期，并增强系统的实时性，软件部分将采用嵌入式操作系统 µC/OS-II，版本为 2.52版本。嵌入式操作系统 µC/OS-II的移植因移植对象的不同而不同，目前已经有人将 µC/OS-II操作系统移植到 C8051F020上[7]。C8051F041芯片是 Cygnal公司生产的一款高性能的芯片，在很大程度上较 C8051F020有了提高，另外在开发中本文采用了不同的编译环境，所以在 C8051F041移植将有必要作一详细介绍。

2.1 C8051F041的开发环境

    在以前的移植开发中，都采用的是 keil的编译器，该编译器虽然有很多优点，但入手较慢，本文将采用 Silicon Lab公司提供的免费的集成开发环境 Silicon Laboratories IDE，该环境可以集成 µVision2使用。使用起来相当方便。

2.2 移植工作

2.2.1 实现代码的可重入性

    C8501F041开发环境采用的是 Silicon Laboratories IDE开发环境，该环境集成keil C编译器，因此支持可编译、可重入代码，只需要在每个函数后边加入关键字reentrant。

    在本工程中，将用 #define KCREENTRANT large reentrant语句替换。即 KCREENTRANT代表的是大模式下可重入函数，该语句添加到 INCLUDE.H中。在把 µC/OS-II移植到 C8051F041 MCU 过程中，要将任务函数定义为再入函数。

2.2.2 将与控制器无关的代码添加到工程文件

    这些文件包括：OS_CORE.C、uCOS_II.C、OS_FLAG.C、UCOS_II.H  OS_MBOX.C、
OS_MEM.C、OS_MUTEX.C、OS_Q.C 、OS_SEM.C、OS_TASK.C、OS_TIME.C。但是要注意在µCOS_II.C文件中要把根目录去掉，比如：#include "os_core.c"。

2.2.3 将需要改动的代码添加至工程

    本次移植需要改的代码有以下若干文件：OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM和OS_CPU_C.C、 OS_CFG.H、INCLUDE.H。其中OS_CFG.H和INCLUDE.H是与应用相关的。

    在OS_CPU.H文件中，包括了用 #define定义的、与处理器相关的常数、宏以及类型。该文件由两部分组成。一部分为与编译器相关的的代码；另一部分为与处理器相关的代码。因处理器为8位字长， OS_STK定义为8位字长，修改相应语句为 typedef unsigned char OS_STK。 CPU状态寄存器为8位，修改相应语句为 typedef unsigned char OS_CPU_SR。在C8051系统中用C语言代码EA=0表示关闭总中断，而用EA=1表示开放总中断，因此相关代码修改为

    #define
    OS_CRITICAL_METHOD  1
    #if  OS_CRITICAL_METHOD == 1
    #define OS_ENTER_CRITICAL()  EA=0 /*禁止中断*/
    #define OS_EXIT_CRITICAL() EA=1 /*开放中断*/
    #endif

    另外由于C8051F041单片机的堆栈是从低地址向高地址生长的，因此相应语句修改为： #define  OS_STK_GROWTH 0。

    在OS_CPU_C.C文件中，只需要编写该文件中的十个函数，但是除了 OSTaskStkInit（）必需之外，其它函数可不编写。

    在OS_CPU_A.ASM文件中，要编写 4个简单的汇编语言函数： OSStartHighRdy()、 OSCtxSw()、OSIntCtxSw()、OSTickISR()。由于 Silicon Laboratories IDE集成开发环境支持汇编语言开发，可以直接编写汇编语言完成移植。 OSStartHighRdy()昀本质的功能就是在 OSStart（）启动任务时，通过 OSStartHighRdy()来恢复用户堆栈，使用户任务得以运行。完成该功能主要的方法就是将用户栈复制到系统堆栈，然后恢复堆栈。 OSCtxSw()主要是完成任务级的切换工作，可说是操作系统的核心部分。主要完成的工作有以下几项：保存处理器寄存器；在当前的任务控制块中保存当前任务的堆栈指针；调用 OSTaskHooK()；得到将要重新开始运行的任务的堆栈指针；从新的任务堆栈中恢复处理器所有寄存器的值；执行中断返回指令。OSIntCtxSw()函数包含的工作与 OSCtxSw()函数要做的工作的工作基本相同，只是开头处不一样。函数 OSIntCtxSw()一开始并没有保存堆栈指针，而是调整堆栈指针，这是因为当OSIntCtxSw()开始执行时，OSInitExit()和OSIntCtxSw()的返回地址已经放在堆栈中了。

    uC/OS-II要求用户提供一个周期性的时钟源，来实现时间的延迟和超时功能。为了完成该任务，采用C8051F041定时器0。时钟节拍节拍定为 100次/s，时钟节拍的启动必须在开始多任务之后，即启动函数 OSStart()运行之后，第一个任务运行之前。因此，往往把时钟的启动放在第一个任务中，否则应用程序会崩溃。

2.3 相关驱动的编写及测试

2.3.1 C8051F041驱动的编写

    为了使裁减后的操作系统能在 C8051F041上正常运行，首先要编写系统驱动。代码如下：

    void SYSCLK_Init(void)
    {WDTCN = 0xde;
     WDTCN = 0xad;
    unsigned n;
    OSCXCN = 0x67;
      for (n = 0; n < 255; n++) ;
    while ( !(OSCXCN & 0x80));
    OSCICN = 0x08; }

    另外，各个端口按照所需要的功能进行工作也需要编写相应驱动：void PORT_Init (void);除此之外，还需编写的驱动有 CAN接口的驱动 void CAN_Init(void)、 AD驱动 void AD_INIT(void)、DA驱动DA_INIT(void)，从而完成系统的数据的采集与控制功能。

2.3.3 测试工作

    在操作系统移植完成后，要测试操作系统移植是否成功，由于操作系统昀主要的功能是任务调度，因我们只要验证在程序运行的过程中，任务确实发生了调度，就可以判断操作系统运行了。
这里将通过两个端口连接两个LED灯，通过编写两个不同优先级的任务来实现。其中一个任务编写如下：

    void mytask1(void) KCREENTRANT {unsigned char  temp=1,times1=0;  InitTimer0(); for(;;) {times1++;

    ADCANif(!(LED&0x01)) 采发 {  LED = 1; 样送} 任任
OSTimeDly(100); 务务 } } 

3 操作系统之上的软件部分设计

    根据系统功能的要求，要完成的工作主要有以及下几个部分： A/D数据采样、 CAN发送数据、CAN接收数据、数据滤波、PID算法以及DA输出控制，系统功能框图如图2所示。

3.1 系统主程序

    由于加入了实时内核其主程序部分编写略有不同，在程序中首先要初始化本程序中所有要用到的驱动，然后调用函数OSInit()初始化uC/OS-II，仅接着通过创建任务函数创建任务，昀后调用OSStart()启动uC/OS-II操作系统。

3.3 PID控制程序

    PID控制中，如果系统产生偏差输入，在偏差很大的情况下进行 PID控制的话，会导致系统响应过慢，为了提高 PID控制的响应速度，在 PID控制中加入比例控制环节，当偏差大于某个值的时实行比例控制，小于某个值时，进行PID控制。其控制流程如图 3所示。
在图3中，PID算法下的控制增量如下： 

4 结束语

    在色谱仪压力检测控制装置中采用µC/OS-II嵌入式实时操作系统，很好提高了系统的可移植性和实时性，系统后续改进的成本也得以降低，在原有系统中采用纯 PID空算法的基础上，加入比例控制控制算法，很好的提高了系统控制响应的快速性。

    本文作者创新点： µC/OS-II在SOC芯片C8051F041上的移植；将 µC/OS-II应用于压力测控装置；在原有PID控制算法基础上加入比例控制。