“大射電望遠鏡FAST(Five hundred meter Aperture Spherical Telescope)預研究”是中國科學院知識創新設計方案[1]。通過六根懸索驅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。為驗證方案的可行性,實地已建造了50m縮比實驗模型。現由于實際需要,還建立了5m縮比實驗模型(以下簡稱FAST 5m)。5m縮比模型的饋源艙一級粗調由自動調整和手動調整組成,自動調整由工業控制計算機實現,手動調整主要目的是把饋源艙調到指定位置,為自動調整作準備。手動調整分為點動調整和精確調整兩部分。
為了調整方便,需要LCD和觸摸屏,并要求較高的實時性,加上復雜的控制程序,這就需要更高的CPU處理速度和更大的系統內存,因此選用32位ARM處理器并且使用嵌入式實時操作系統。本文詳細討論AT91RM9200和μC/OS-II在5m縮比模型的一級粗調中手動調整的運用。
1 系統硬件的組成
現FAST 5m試驗模型只用一個控制柜,控制六臺交流伺服電機調整六根索來控制饋源艙的位置,類似于六軸聯動。需要六路獨立的脈寬調制信號(PWM),整個硬件框圖如圖1。
圖1 系統硬件總體框圖
圖2 LCD和觸摸屏的接口電路
AT91RM9200是Atmel公司推出的一款用于工業控制的ARM9處理器,它基于ARM920T內核, 工作在180MHz頻率下,運算速度可高達200MIPS[2]。AT91RM9200集成了豐富的系統外圍和應用外圍及標準的接口,集成了高速片上SRAM和低延遲的外部總線接口(EBI)。中斷控制器(AIC)、外圍數據控制器(PDC)、電源管理控制器(PMC)集成了USB2.0接口、以太網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 內部只有16KB的SRAM,遠遠不能滿足應用程序的要求。為了能運行嵌入式操作系統和運用程序的要求,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動態存儲器(EDO RAM)。S1D13506驅動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,以適應不同規格的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。這使電路設計簡單,還可以高速地進行數據傳輸。本系統中SPI的CLK工作在14kHz,完全能保證ADS7846轉換的數據準確傳輸到AT91RM9200。
1.3 電機控制接口電路
AT91RM9200 有六個相同定時/計數器(TC), 可用這六個TC產生12路PWM信號,雖然一個TC可產生兩路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(控制電機的角位移)。
其基本工作原理:把TC配置成產生波形狀態,選擇AT91RM9200內部時鐘或外部時鐘作為16位TC的時鐘源,啟動計數器(CLKSTA), TC從零開始計數。
當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,同時復位TC,使TC重新計數。這樣可產生方波信號。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TC的值達到RA、RB、RC的值時還可產生中斷,也可把這些中斷屏蔽掉。這樣產生的PWM頻率可從幾赫茲到幾兆赫茲。TIOB產生PWM信號的原理與TIOA完全一樣。
本系統中把TIOA配置為脈沖輸出口,TIOB為外部事件觸發輸入口(即伺服控制卡中的脈沖計數卡產生的中斷), 當伺服控制卡中的脈沖計數器(8254)計數到設定值時產生中斷,由TIOB通過RS觸發器停止TC計數。這樣可實現伺服電機的速度和位置控制。
伺服控制卡的脈沖計數器的核心器件是兩片8254[5],可進行六路獨立的脈沖計數,如圖4所示。
圖3 TC部分原理圖
圖4 伺服控制卡原理圖
2 軟件開發
由于目前大部分基于ARM9的嵌入式系統一般用Linux,用于實時性要求不高的的設備。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。寫這些底層驅動代碼時,在Linux網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μC/OS-II
目前商用的嵌入式操作系統產品很多,十分成熟,并且提供了強大的開發和調試工具,但開發成本昂貴且大部分不提供源代碼,并不適合小型系統的開發。μC/OS-II面向中小型嵌入式系統,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、具有可確定性等[4]。本系統不需要網絡和文件系統,μC/OS-II是一個很適合本系統的嵌入式系統。
μC/OS-II的移植過程比較簡單。它在ARM7處理器上的移植相當成熟。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,實現時間的延時和超時功能[4]。AT91RM9200內有一個Period Interal Timer(PIT),它是一個十六位的減法計數器, 使用它很容易給μC/OS-II提供10～100次/秒時鐘節拍。
PIT計數器產生時鐘節拍為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產生100Hz的系統時鐘
AT91C_BASE_ST->ST_IER = AT91C_ST_PITS;
}
2.2 應用程序
基于μC/OS-II的應用系統工作時,首先初始化CPU;接著進行操作系統初始化,主要完成任務控制塊(TCB)初始化、TCB優先級表初始化、空任務的創建等;然后開始創建新任務;調用OSStart()函數啟動多任務調度。應用程序的編寫主要考慮任務如何劃分、任務的優先級、任務之間的通訊。
本系統靠觸摸屏實現人機接口,故把檢測觸摸屏狀態設為優先級,每10ms檢測一次觸摸屏狀態。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來處理, 以手動精調控制界面(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,在此需建11個任務。它們之間靠消息通訊,觸摸屏任務主要完成給其它11個任務發消息。
每當檢測到ADS7846產生PENIRQ,通過SPI接口向ADS7846發送A/D轉換和讀A/D轉換結果指令,把結果轉換到當前觸摸屏按下點的坐標值,再把這個坐標值以消息的形式發出去,然后調用OSTimeDly(1)函數延時10ms。其余10個任務調用OSQPend()等待消息(坐標值),如坐標值在此控件內,觸發相應的事件。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); //創建觸摸屏任務
…………
OSTaskCreate(MotorRun,(void*)0,(OS_STK*)&RunTaskStk
[8000],6); // 創建電機RUN任務
OSStart(); // 啟動多任務
}
void TouchSreen(void *pdata){
…………
OS_ENTER_CRITICAL();
μCOS_TickInit(); //為μC/OS-II提供100Hz的系統時鐘
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發送A/D開始轉換指令;
讀A/D轉換的結果;
…………
發送消息(即觸摸屏按下的坐標值);
ADS7846_Int_Flag=0;
}
OSTimeDly(1);
}
要實現六軸聯動,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具有精確模型難以得到、 變結構的特點且控制精度要求較高,可采用的算法能用于動態未知的系統,并能實時適應受控對象的變化,采用非參數模型自適應控制算法[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程序,都放在OS_CPU_C.C中。例如,為了使電機運轉連續以保證懸索饋源艙系統做平穩的掃描運動,要求當前伺服指令執行后需要更新脈沖的頻率(RC的值)和脈沖計數的個數(8254)在幾毫秒內完成,同時又要有很好的實時性,必須采用中斷服務方式實現。
3 測試
作者編寫了底層硬件的驅動,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。本系統中有三個可互相切換觸摸屏圖形控制界面,其中手動精調控制界面見圖5。
本系統輸出的脈沖可從7Hz到幾MHz, AT91RM9200中TIOA(見圖3)可輸出15MHz的脈沖,但由于8254計數器的計數頻率為10MHz,制約了整個系統的脈沖輸出頻率,這完全可以滿足一般的伺服驅動器的要求。選擇TC計數器(見圖3)的CLK為TIMER_CLOCK2(7.5MHz),RA=1,RC=3,這時輸出的頻率應為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。
本系統在大射電望遠鏡5米模型上通過調試,運行良好。目前ARM處理器絕大部分都用于手持設備,對實時性要求不高,但工業控制中要求實時性高。本系統也只用到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10/100BaseT MAC控制器,完全可以滿足復雜的工業控制。隨著嵌入式系統和ARM處理器的發展,ARM處理器在工業控制中會越來越多。
圖5 手動精調控制界面
圖6 Fluke 196C示波器測得實際波形
參考文獻
1 段寶巖.新一代大射電望遠鏡機電光一體化設計研究[J]. 中國機械工程,1999;10(9):1002～1004
2 ARM920T Technical Reference Manual
3 Atmel Electronics. AT91RM9200.date sheet.768B-ATARM.
4 SHAO Bei-bei 譯. MicroC/OS-II The Real-Time Kernel (Second Edition).北京:
北京航空航天大學出版社,2003
5 佘海波.基于ISA總線的八軸聯動伺服卡在大射電望遠鏡懸索饋源系統中的應用[J].
電子機械工程,2002;18(2)
6 張玉魁. 大射電望遠鏡控制軟件系統的研究.西安電子科技大學碩士學位論文, 2001;01