日本在线www-日本在线播放一区-日本在线不卡免费视频一区-日本在线不卡视频-成人影院久久久久久影院-成人影院一区二区三区

    （南昌大學環(huán)境與化學工程學院，江西 南昌 330031曹長剛，張衛(wèi)華，王先平

    （南昌大學機電工程學院，江西 南昌 330031）劉國平
                            
    曹長剛（1982-）男，南昌大學測試計量技術及儀器碩士研究生，研究方向為嵌入式先進控制技術。

    摘要：介紹了一種基于ARM7的μC/OS-II的智能閥門定位器控制系統(tǒng)的基本硬件組成和軟件程序設計。系統(tǒng)采用A RM7核的LPC2290作為控制系統(tǒng)的核心，基于μC/OS-II實時操作系統(tǒng)編程，用FuzzyP-PID進行控制輸出PWM占空比，通過CAN和UART接口實現(xiàn)主控制器、上位機與定位器之間的通信，實現(xiàn)了閥門的準確定位。

    關鍵詞：閥門定位器；ARM7；μC/OS-II；程序設計

    Abstract: The paper introduces the hardware structure and software of an intelligent valve locator based on ARM7 microcontroller and RTOS of μC/OS-II,and mainly analyses the programming design and porting of μC/OS-II on ARM7.The system adopts LPC2290 as the core of control system, programs on RTOS of μC/OS-II,outputs duty cycle by operating of fuzzyP-PID, and communicates with main-controller and PC through CAN bus and UART, therefore this system can implement accurate location of valve.

    Key words: Intelligent valve locator; ARM7; μC/OS-II; Programming design

    隨著工業(yè)自動化水平和嵌入式系統(tǒng)的飛速發(fā)展，開發(fā)具有智能化、功能全面和操作簡便的智能化儀表迫在眉睫。調(diào)節(jié)閥是過程工業(yè)控制的核心，其系統(tǒng)控制性能主要體現(xiàn)在閥門定位器上。

    本文提出了一種基于ARM7和μC/OS-II的智能閥門定位器設計方案，既滿足了現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的采集、運算和輸出，又可以通過CAN總線和UART實現(xiàn)閥門定位器和控制中心的實時通信。

    1 系統(tǒng)總體設計

    本系統(tǒng)要求軟件完成的功能有以下幾個方面：

    實時數(shù)據(jù)采集處理功能。系統(tǒng)要求能夠?qū)崟r采集調(diào)節(jié)閥的設定閥位和反饋閥位數(shù)據(jù) 并進行A/D轉(zhuǎn)換。

    人機監(jiān)控功能。人機監(jiān)控實現(xiàn)參數(shù)組態(tài)、控制方式和作用方式的選擇、流量特性的選擇、分程控制以及現(xiàn)場數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示和自診斷報警。

    控制策略。系統(tǒng)對設定位移和閥反饋信號的偏差進行算法處理，輸出閥位控制信號。

    上位機監(jiān)控功能。系統(tǒng)可通過串口把實時數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機顯示。

    為了實現(xiàn)程序設計清晰高效，本系統(tǒng)采用模塊化設計方法，采用了μC/OS-II操作系統(tǒng)。按照系統(tǒng)要求，將軟件劃分為4個任務模塊：A/D采集任務、鍵盤監(jiān)控任務、控制算法輸出任務和LCD顯示任務。任務優(yōu)先級分別設置為10、12、14、16。

    2 硬件組成及功能

    系統(tǒng)控制器以周立功公司的A R M7 系列低功耗系統(tǒng)M9080FNU20I為核心，利用CAN接口接收設定信號，ADC接口采樣反饋信號，雙PWM實現(xiàn)占空比輸出，I2C接口連接鍵盤，顯示采用LCD總線接口，報警和上位機監(jiān)控采用GPIO口和UART0串行口發(fā)送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)結構如圖1。人機界面采用外部中斷獲取四鍵鍵碼值和清達光電分辨率為128x64的HG128641液晶模塊實現(xiàn)現(xiàn)場顯示。

                
                                        圖1 系統(tǒng)總體框圖 

                
                                       圖2 監(jiān)控任務程序流程圖 

    3 系統(tǒng)軟件設計

    嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)硬件和應用軟件的接口，它的使用可以提高軟件開發(fā)效率。本軟件設計采用公開源碼的μC/OS-II多任務實時操作系統(tǒng)，任務和數(shù)據(jù)通信主要采用全局變量、信號量和消息郵箱。

    3.1 人機監(jiān)控程序設計

    人機監(jiān)控分為鍵盤任務和顯示任務。在鍵盤任務中，首先創(chuàng)建一個按鍵信號消息郵箱：KEYD= OSMboxCreate（（void*）0），再進行一些必要的初始化工作，接著請求信號量。當有鍵按下時，鍵盤GPIO口將產(chǎn)生一個外部中斷，外部中斷控制器收到中斷后執(zhí)行中斷服務程序（ISR向量中斷），在中斷服務程序里，發(fā)送對應的消息：OSMboxPost（KEYD），鍵盤任務獲得消息后執(zhí)行相應的鍵盤監(jiān)控函數(shù)。在鍵盤監(jiān)控程序里判斷為有效鍵被按下時調(diào)用相應的功能函數(shù)。鍵盤任務程序流程圖如圖2所示。

    3.2 A/D采集任務

    AD采樣操作任務主要完成對調(diào)節(jié)閥閥桿位移的信號采集和向顯示任務以及上位機發(fā)送數(shù)據(jù)，采集對象為慢變物理量。

    調(diào)節(jié)閥所在的工業(yè)現(xiàn)場存在很多脈沖干擾和其它非周期性干擾，為消除上述干擾采用平均中位值濾波。由于AD采樣頻率很高，每次采樣要實現(xiàn)一次PWM控制運算輸出，需要合理設定整個周期，故采用定時中斷采樣，定時時間作為采樣周期，采樣周期和濾波間隔乘積作為PWM周期。

    AD采樣任務程序設計如圖3所示。

                           
                                             圖3 采樣任務程序流程圖

    3.3 控制策略輸出任務

    系統(tǒng)控制策略采用FuzzyP-PID算法，當偏差大于β時，粗調(diào)采用FuzzyP控制，小于β時細調(diào)采用PID控制，程序設計如圖4所示。該算法能達到快速和精度高的效果。FuzzyP即模糊五點開關控制，通過調(diào)節(jié)一個比例參數(shù)實現(xiàn)對占空比的調(diào)節(jié)，特點是調(diào)節(jié)快速但精度低。PID算法綜合積分分離、帶死區(qū)和抗積分飽和三種功能，實現(xiàn)精確控制。程序流程如圖5所示。控制輸出PWM占空比，調(diào)節(jié)效率高，能耗低，精度好。占空比，所以工作時間。PWM周期，其中N為濾波間隔。

           
            圖4 PID程序流程圖                       圖5控制輸出任務流程圖

    3.4 顯示任務

    顯示任務實現(xiàn)LCD顯示，主要為現(xiàn)場工程人員提供當前閥門數(shù)據(jù)和操作信息，提供友好的人機交互界面。程序設計如圖6所示。顯示任務分為7個菜單：主菜單、控制方式、作用方式、流量特性、PID參數(shù)整定、報警參數(shù)整定和報警提示菜單。主菜單動態(tài)顯示閥門開度、動態(tài)偏差、PWM占空比、死區(qū)和行程；控制方式顯示手動輸入或自動獲取上位機設定閥位值；作用方式顯示當前是正作用還是反作用；流量特性菜單顯示當前選擇的流量特性；參數(shù)整定菜單顯示鍵盤輸入的數(shù)據(jù)值，實現(xiàn)現(xiàn)場參數(shù)組態(tài)；報警菜單提示報警原因。

                                
                                   圖6 顯示任務程序流程圖

    4 uC/OS-Ⅱ的移植

    本設計移植μC/OS-II到ARM7采用ARM公司的ADS1.2編譯器，任務的缺省模式為ARM用戶模式，任務的可選模式為ARM系統(tǒng)模式。移植μC/OS-II多任務實時操作系統(tǒng)主要實現(xiàn)對三個文件的改寫：OS_CPU.H、OS_CPU.C和OS_CPU_A.S。在OS_CPU.H文件中主要涉及到與編譯器相關數(shù)據(jù)類型的修改和μC/OS-II臨界區(qū)保護方式的選擇；在OS_CPU.C文件中主要實現(xiàn)任務堆棧的初始化函數(shù)OsTaskStkInit()和開關中斷宏定義；μC/OS-II的移植主要需要編寫OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntCtxSw()和OSTickISR()4個匯編語言函數(shù)，可以說這幾個匯編函數(shù)是整個移植過程的重點，它們在最底層保證了μC/OS-II內(nèi)核任務調(diào)度的順利進行。啟動最高優(yōu)先級就緒任務函數(shù)OSStartHighRdy()代碼如下：

    _OSStartHighRdy

    MSR CPSR_c, #(NoInt|SYS32Mode)；

    LDR R4,=OSRunning；

    MOV R5, #1；

    STRB R5,[R4]；

    BL OSTaskSwHook；

    LDR R6, =OSTCBHighRdy；

    LDR R6, [R6]；

    B OSIntCtxSw_1；

    5 總結

    本文提出了一種基于ARM7和μC/OS-II實時操作系統(tǒng)的嵌入式智能閥門定位器的總體設計，主要介紹了應用程序設計和μC/OS-II操作系統(tǒng)在ARM7上的移植。該智能定位器與傳統(tǒng)的閥門定位器相比，不僅功能齊全、操作簡單，而且精度高、能耗低。

    參考文獻：

    [1] 周航慈，吳光文. 基于嵌入式實時操作系統(tǒng)的程序設計技術[M]. 北京:北京航空航天出版社，2003.

    [2] 張素文，李勇振. 基于Fuzzy-PI雙模控制的智能液壓閥門定位器的算法研究[J]. 泰山學院學報，2006.

    [3] 周立功. ARM嵌入式系統(tǒng)基礎教程[M]. 北京: 北京航空航天出版社，2005.
   
    [4] 費浙平. 基于ARM的嵌入式系統(tǒng)程序開發(fā)要點[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2003，(09): 80-83.

    [5] 劉靜靜. 基于ARM和μC/OS-Ⅱ的嵌入式應用系統(tǒng)的設計[D].中國海洋大學優(yōu)秀碩士論文, 2008.

    [6] 張素文，劉延兵. 基于ARM的智能液壓閥門定位器的設計[J]. 武漢理工大學學報，2007(29): 45-48.

    [7] 林慧. 智能電氣閥門定位器的研究開發(fā)[D]. 天津: 天津大學電氣與自動化工程學院，2003.

    摘自《自動化博覽》2010年第四期