介紹了ARM9和嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II在大射電望遠(yuǎn)鏡5米模型上懸索控制中的應(yīng)用。介紹了基于ARM9處理器（Atmel公司的AT91RM9200）的觸摸屏、LCD等電路的設(shè)計。分析了用AT91RM9200產(chǎn)生6路獨立的PWM信號的方法。給出了在嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II下的多任務(wù)應(yīng)用軟件的設(shè)計實例,并成功實現(xiàn)了六軸聯(lián)動。 “大射電望遠(yuǎn)鏡FAST（Five hundred meter Aperture Spherical Telescope）預(yù)研究”是中國科學(xué)院知識創(chuàng)新設(shè)計方案[1]。通過六根懸索驅(qū)動饋源艙完成饋源的大范圍跟蹤,保證饋源艙的定位精度在50cm以內(nèi)。為驗證方案的可行性,實地已建造了50m縮比實驗?zāi)Ｐ汀，F(xiàn)由于實際需要,還建立了5m縮比實驗?zāi)Ｐ停ㄒ韵潞喎QFAST 5m）。5m縮比模型的饋源艙一級粗調(diào)由自動調(diào)整和手動調(diào)整組成,自動調(diào)整由工業(yè)控制計算機實現(xiàn),手動調(diào)整主要目的是把饋源艙調(diào)到指定位置,為自動調(diào)整作準(zhǔn)備。手動調(diào)整分為點動調(diào)整和精確調(diào)整兩部分。為了調(diào)整方便,需要LCD和觸摸屏,并要求較高的實時性,加上復(fù)雜的控制程序,這就需要更高的CPU處理速度和更大的系統(tǒng)內(nèi)存,因此選用32位ARM處理器并且使用嵌入式實時操作系統(tǒng)。本文詳細(xì)討論AT91RM9200和μC/OS-II在5m縮比模型的一級粗調(diào)中手動調(diào)整的運用。 1 系統(tǒng)硬件的組成 　　現(xiàn)FAST 5m試驗?zāi)Ｐ椭挥靡粋€控制柜,控制六臺交流伺服電機調(diào)整六根索來控制饋源艙的位置,類似于六軸聯(lián)動。需要六路獨立的脈寬調(diào)制信號（PWM）,整個硬件框圖如圖1。 1.1 AT91RM9200及其外圍電路 　　AT91RM9200是Atmel公司推出的一款用于工業(yè)控制的ARM9處理器,它基于ARM920T內(nèi)核, 工作在180MHz頻率下,運算速度可高達(dá)200MIPS[2]。AT91RM9200集成了豐富的系統(tǒng)外圍和應(yīng)用外圍及標(biāo)準(zhǔn)的接口,集成了高速片上SRAM和低延遲的外部總線接口（EBI）。高級中斷控制器（AIC）、外圍數(shù)據(jù)控制器（PDC）、電源管理控制器（PMC）集成了USB2.0接口、以太網(wǎng)10/100 BaseT MAC控制器,這些接口極大地擴展了外部器件的種類[3]。 　　AT91RM9200 內(nèi)部只有16KB的SRAM,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足應(yīng)用程序的要求。為了能運行嵌入式操作系統(tǒng)和運用程序的要求,需要擴展外部SDRAM及Flash。 1.2 LCD和觸摸屏接口電路 　　在FAST 5m模型手動調(diào)整中,采用了LG推出的LB06V2顯示屏TFT-LCD和觸摸屏,其面板尺寸6.4英寸,分辨率480×640[4]。LCD觸摸屏的接口電路如圖2所示。LCD控制芯片采用Epson公司的S1D13506。該芯片內(nèi)部不帶顯存,需要擴展FPM/FDO-DRAM。考慮到整個界面操作在圖形模式下,需要較大的顯存,采用OKI 公司的MSM5118155F的16M bit動態(tài)存儲器（EDO RAM）。S1D13506驅(qū)動LB06V2顯示屏需要的60MHz的BUCLK時鐘由AT91RM9200提供,25MHz的CLK1和12.5MHz的CLK2由ICS1523提供,AT91RM9200通過I2C總線控制ICS1523輸出的所需CLK1和CLK2的頻率,以適應(yīng)不同規(guī)格的LCD或VGA需求。由于S1D13506訪問RAM需要等待70ns,這造成LCD顯示速度比較慢。本系統(tǒng)并不需要頻繁切換圖形界面,主要考慮到AT91RM9200是一款很適合工業(yè)控制用的高速ARM處理器。 　　AT91RM9200集成了SPI控制器,可與觸摸屏控制芯片（ADS7846）直接相連接。這使電路設(shè)計簡單,還可以高速地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)中SPI的CLK工作在14kHz,完全能保證ADS7846轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸?shù)紸T91RM9200。 1.3 電機控制接口電路 　　AT91RM9200 有六個相同定時/計數(shù)器（TC）, 可用這六個TC產(chǎn)生12路PWM信號,雖然一個TC可產(chǎn)生兩路PWM信號,但是這兩路PWM頻率相同,只是脈沖寬度不同。圖3是其中一個TC的部分原理圖。本系統(tǒng)中TC控制交流伺服電機頻率（控制電機的速度）,8254控制脈沖的個數(shù)（控制電機的角位移）。 　　其基本工作原理:把TC配置成產(chǎn)生波形狀態(tài),選擇AT91RM9200內(nèi)部時鐘或外部時鐘作為16位TC的時鐘源,啟動計數(shù)器（CLKSTA）, TC從零開始計數(shù)。 　　當(dāng)TC中的值與RA中的值相等,輸出控制器可使TIOA輸出高電平;當(dāng)TC中的值與RC中的值相等, 輸出控制器可使TIOA輸出低電平,同時復(fù)位TC,使TC重新計數(shù)。這樣可產(chǎn)生方波信號。RC的值控制TIOA輸出脈沖的頻率,RA和RC可控制PWM的占控比。當(dāng)TC的值達(dá)到RA、RB、RC的值時還可產(chǎn)生中斷,也可把這些中斷屏蔽掉。這樣產(chǎn)生的PWM頻率可從幾赫茲到幾兆赫茲。TIOB產(chǎn)生PWM信號的原理與TIOA完全一樣。 　　本系統(tǒng)中把TIOA配置為脈沖輸出口,TIOB為外部事件觸發(fā)輸入口（即伺服控制卡中的脈沖計數(shù)卡產(chǎn)生的中斷）, 當(dāng)伺服控制卡中的脈沖計數(shù)器（8254）計數(shù)到設(shè)定值時產(chǎn)生中斷,由TIOB通過RS觸發(fā)器停止TC計數(shù)。這樣可實現(xiàn)伺服電機的速度和位置控制。 　　伺服控制卡的脈沖計數(shù)器的核心器件是兩片8254[5],可進(jìn)行六路獨立的脈沖計數(shù),如圖4所示。 2 軟件開發(fā) 　　由于目前大部分基于ARM9的嵌入式系統(tǒng)一般用Linux,用于實時性要求不高的的設(shè)備。采用μC/OS需要寫ARM9啟動代碼,初始化SDAM、FLASH、USRT、SPI、觸摸屏控制芯片、LCD控制芯片等。寫這些底層驅(qū)動代碼時,在Linux網(wǎng)站開放的源代碼很值得借鑒和參考。 2.1 嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II 　　目前商用的嵌入式操作系統(tǒng)產(chǎn)品很多,十分成熟,并且提供了強大的開發(fā)和調(diào)試工具,但開發(fā)成本昂貴且大部分不提供源代碼,并不適合小型系統(tǒng)的開發(fā)。μC/OS-II面向中小型嵌入式系統(tǒng),其主要特點:公開源代碼、可移植性、可固化、可裁減、支持多任務(wù)、具有可確定性等[4]。本系統(tǒng)不需要網(wǎng)絡(luò)和文件系統(tǒng),μC/OS-II是一個很適合本系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)。 　　μC/OS-II的移植過程比較簡單。它在ARM7處理器上的移植相當(dāng)成熟。在AT91RM9200上的移植與ARM7處理器上的移植類似, 由于篇幅的限制,本文不具體介紹μC/OS-II在AT91RM9200上的移植過程。μC/OS-II要求用戶提供一個周期性的10～100次/秒時鐘源,實現(xiàn)時間的延時和超時功能[4]。AT91RM9200內(nèi)有一個Period Interal Timer（PIT）,它是一個十六位的減法計數(shù)器, 使用它很容易給μC/OS-II提供10～100次/秒時鐘節(jié)拍。 　　PIT計數(shù)器產(chǎn)生時鐘節(jié)拍為100次/秒的程序代碼如下: 　　void uCOS_TickInit（） 　　｛ 　　　volatile int status; 　　　AT91F_AIC_ConfigureIt（AT91C_BASE_AIC, AT91C_ID_SYS,1,0, OS_CPU_IRQ_ISR ）; 　　　 // 配置 PIT 中斷 　　　AT91F_AIC_EnableIt（AT91C_BASE_AIC,AT91C_ID_SYS）; 　　　// PIT產(chǎn)生中斷使能 　　　AT91C_BASE_ST->ST_IDR=AT91C_ST_PITS; 　　　status = AT91C_BASE_ST->ST_SR; 　　　AT91C_BASE_ST->ST_PIMR = 327; 　　　// 為μC/OS產(chǎn)生100Hz的系統(tǒng)時鐘 　　　AT91C_BASE_ST->ST_IER = AT91C_ST_PITS; 　?。? 2.2 應(yīng)用程序 　　基于μC/OS-II的應(yīng)用系統(tǒng)工作時,首先初始化CPU;接著進(jìn)行操作系統(tǒng)初始化,主要完成任務(wù)控制塊（TCB）初始化、TCB優(yōu)先級表初始化、空任務(wù)的創(chuàng)建等;然后開始創(chuàng)建新任務(wù);最后調(diào)用OSStart（）函數(shù)啟動多任務(wù)調(diào)度。應(yīng)用程序的編寫主要考慮任務(wù)如何劃分、任務(wù)的優(yōu)先級、任務(wù)之間的通訊。 　　本系統(tǒng)靠觸摸屏實現(xiàn)人機接口,故把檢測觸摸屏狀態(tài)設(shè)為優(yōu)先級最高,每10ms檢測一次觸摸屏狀態(tài)。控制界面采用類似Windows的控件編程方式,把每一個控件看作一個任務(wù)來處理, 以手動精調(diào)控制界面（見圖5）為例,上面有10個控件:控制電機位置的滾動條控件（6個）、控制饋源艙運動速度的滾動條控件（1個）、6臺電機位置復(fù)位按鈕控件（1個）、切換到自動控制和手動控制按鈕控件（各一個）、電機啟動控件（1個）,加上前面的觸摸屏檢測任務(wù),在此需建11個任務(wù)。它們之間靠消息通訊,觸摸屏任務(wù)主要完成給其它11個任務(wù)發(fā)消息。每當(dāng)檢測到ADS7846產(chǎn)生PENIRQ,通過SPI接口向ADS7846發(fā)送A/D轉(zhuǎn)換和讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果指令,把結(jié)果轉(zhuǎn)換到當(dāng)前觸摸屏按下點的坐標(biāo)值,再把這個坐標(biāo)值以消息的形式發(fā)出去,然后調(diào)用OSTimeDly（1）函數(shù)延時10ms。其余10個任務(wù)調(diào)用OSQPend（）等待消息（坐標(biāo)值）,如坐標(biāo)值在此控件內(nèi),觸發(fā)相應(yīng)的事件。其程序部分代碼如下: viod main（） ｛ 　　初始化硬件 ; 　　OSInit（）; 　　OSTaskCreate（TouchSreen,（void＊）0,（OS_STK＊）&TouchStk 　　[500],4）; //創(chuàng)建觸摸屏任務(wù) 　　………… 　　OSTaskCreate（MotorRun,（void＊）0,（OS_STK＊）&RunTaskStk 　　 [8000],6）; // 創(chuàng)建電機RUN任務(wù) 　　OSStart（）; // 啟動多任務(wù) ｝ void TouchSreen（void ＊pdata）｛ 　　………… 　　OS_ENTER_CRITICAL（）; 　　μCOS_TickInit（）; //為μC/OS-II提供100Hz的系統(tǒng)時鐘 　　OS_EXIT_CRITICAL（）; 　　Ads7846_Init（）; //初始化觸摸屏控制芯片 　　while（1）｛ 　　if（ADS7846_Int_Flag==1）｛ //是否觸摸屏按下 　　　OSTimeDly（1）; 　　　 //延時10ms發(fā)送A/D開始轉(zhuǎn)換指令; 　　　讀A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果; 　　　………… 　　　發(fā)送消息（即觸摸屏按下的坐標(biāo)值）; 　　ADS7846_Int_Flag=0; ｝ 　　OSTimeDly（1）; ｝ 　　要實現(xiàn)六軸聯(lián)動,就必須在程序中加入控制算法。由于懸索與饋源艙控制系統(tǒng)具有精確模型難以得到、 變結(jié)構(gòu)的特點且控制精度要求較高,可采用的算法能用于動態(tài)未知的系統(tǒng),并能實時適應(yīng)受控對象的變化,采用非參數(shù)模型自適應(yīng)控制算法[6]。把這種算法加在RUN按鈕事件下。 　　本程序中還有許多中斷服務(wù)程序,都放在OS_CPU_C.C中。例如,為了使電機運轉(zhuǎn)連續(xù)以保證懸索饋源艙系統(tǒng)做平穩(wěn)的掃描運動,要求當(dāng)前伺服指令執(zhí)行后需要更新脈沖的頻率（RC的值）和脈沖計數(shù)的個數(shù)（8254）在幾毫秒內(nèi)完成,同時又要有很好的實時性,必須采用中斷服務(wù)方式實現(xiàn)。 3 測試 　　作者編寫了底層硬件的驅(qū)動,把μC/OS-II成功地移植到AT91RM9200上,并編寫了基于觸摸屏圖形控制界面。本系統(tǒng)中有三個可互相切換觸摸屏圖形控制界面,其中手動精調(diào)控制界面見圖5。 　　本系統(tǒng)輸出的脈沖可從7Hz到幾MHz, AT91RM9200中TIOA（見圖3）最高可輸出15MHz的脈沖,但由于8254計數(shù)器的最高計數(shù)頻率為10MHz,制約了整個系統(tǒng)的脈沖輸出頻率,這完全可以滿足一般的伺服驅(qū)動器的要求。選擇TC計數(shù)器（見圖3）的CLK為TIMER_CLOCK2（7.5MHz）,RA=1,RC=3,這時輸出的頻率應(yīng)為CLK/RC=7.5/3=2.5MHz,占空比為（RC-RA）/RA=2,輸出電壓的平均值為3.3×2/3=2.2V,用Fluke 196C示波器測得實際輸出波形與理論完全一致,如圖6。 　　本系統(tǒng)在大射電望遠(yuǎn)鏡5米模型上通過調(diào)試,運行良好。目前ARM處理器絕大部分都用于手持設(shè)備,對實時性要求不高,但工業(yè)控制中要求實時性高。本系統(tǒng)也只用到AT91RM9200處理器的部分資源,從某種角度上講是有點浪費,但作者把ARM9處理器和μC/OS-II用在工業(yè)控制上是一次嘗試,從控制的魯棒性都證明了AR91RM9200和μC/OS-II在控制電機多軸聯(lián)動的效果是令人滿意的。如充分利用AT91RM9200集成的USB2.0接口、以太網(wǎng)10/100BaseT MAC控制器,完全可以滿足復(fù)雜的工業(yè)控制。隨著嵌入式系統(tǒng)和ARM處理器的發(fā)展,ARM處理器在工業(yè)控制中會越來越多。