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。 [p]
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：
 开始
∆u(k ) = Kp∆e(k ) + K ie(k )
+ Kd [∆e(k ) − e(k − 1)]
比例控制算法的增量如下： 计算偏差 e(k)=r(k)-y(k)
∆u(k) = Kp ∆e(k)
 否
 是
△e(k)=e(k)-e(k-1) 计算△e(k)=e(k)-e(k-1)
 
输出控制量 u(k)+ △u(k) 
 

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。