μC/OS-II在壓力測控系統中的應用
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工業(yè)色譜儀是是一種大型流量分析儀器，主要用于石化、煉油、鋼鐵等行業(yè)。針對色譜儀的研究也有很長(cháng)的歷史[1]，而在色譜儀中，對壓力的檢測和控制是至關(guān)重要的。在文獻 [2]中，作者設計的壓力測控裝置在各個(gè)方面均有了很大改進(jìn)，但是在該智能壓力控制板中主要采用的是 PID算法，其穩定性較差，控制板在系統升級方面有諸多不便，實(shí)時(shí)性能較差。由于每次升級系統的程序都要重寫(xiě)，因此，其在成本方面相對較高，可移植性差。
鑒于上述原因，本文將采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統 µC/OS-II，µC/OS-II嵌入式操作系統是由美國人 Jean J.Labrosse先生編寫(xiě)的，并在 2000年 7月在美國一個(gè)航空項目中的得到了美聯(lián)邦航空管理局對于商用飛機、符合 RTCA DO-178標準的認證。能用于與人類(lèi)性命攸關(guān)的、安全性條件極為苛刻的場(chǎng)合 [3]。該操作系統是開(kāi)源的、免費的，使得該操作系統在國內得到廣泛的應用，目前該系統的應用已經(jīng)覆蓋照相機、醫療器械、音響設備、發(fā)動(dòng)機控制以及自動(dòng)提款機等等[4][5]。
文獻[2]中的壓力智能測控系統采用由美國 Cygnal公司生產(chǎn)的完全集成混合信號系統級芯片 C8051F041[6]。因此，本文將首先介紹壓力智能控制板的硬件電路，然后針對硬件電路，將 µC/OS-II移植到單片機 C8051F041中，并編寫(xiě)相應驅動(dòng)程序。
1 系統硬件設計
由于所設計的電路圖是由筆者設計，并經(jīng)過(guò)現場(chǎng)驗證的，該系統的詳細設計過(guò)程見(jiàn)參考文獻[2]，此處將不再對整個(gè)電路的設計過(guò)程作詳細描述，這里只加以說(shuō)明。其硬件結構下圖：
系統采用了 C8051F041做 CPU，該芯片片內集成 12位 AD轉換器、 DA轉換器以及 CAN控制器，選用該芯片的好處就是大大節約了裝置的體積，給整個(gè)系統的安裝帶來(lái)方便。脈寬調制器采用 LM3254，壓力傳感器選用霍尼韋爾壓力傳感器。
2 µC/OS-II在 C8051F041上的移植
為了提高代碼的可移植性，以及縮短開(kāi)發(fā)周期，并增強系統的實(shí)時(shí)性，軟件部分將采用嵌入式操作系統 µC/OS-II，版本為 2.52版本。嵌入式操作系統 µC/OS-II的移植因移植對象的不同而不同，目前已經(jīng)有人將 µC/OS-II操作系統移植到 C8051F020上[7]。C8051F041芯片是 Cygnal公司生產(chǎn)的一款高性能的芯片，在很大程度上較 C8051F020有了提高，另外在開(kāi)發(fā)中本文采用了不同的編譯環(huán)境，所以在 C8051F041移植將有必要作一詳細介紹。
2.1 C8051F041的開(kāi)發(fā)環(huán)境
在以前的移植開(kāi)發(fā)中，都采用的是 keil的編譯器，該編譯器雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但入手較慢，本文將采用 Silicon Lab公司提供的免費的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 Silicon Laboratories IDE，該環(huán)境可以集成 µVision2使用。使用起來(lái)相當方便。
2.2 移植工作
2.2.1 實(shí)現代碼的可重入性 C8501F041開(kāi)發(fā)環(huán)境采用的是 Silicon Laboratories IDE開(kāi)發(fā)環(huán)境，該環(huán)境集成keil C編譯器，因此支持可編譯、可重入代碼，只需要在每個(gè)函數后邊加入關(guān)鍵字reentrant。
在本工程中，將用 #define KCREENTRANT large reentrant語(yǔ)句替換。即 KCREENTRANT代表的是大模式下可重入函數，該語(yǔ)句添加到 INCLUDE.H中。在把 µC/OS-II移植到 C8051F041 MCU 過(guò)程中，要將任務(wù)函數定義為再入函數。
2.2.2 將與控制器無(wú)關(guān)的代碼添加到工程文件這些文件包括：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文件中要把根目錄去掉，比如：#include os_core.c。
2.2.3 將需要改動(dòng)的代碼添加至工程本次移植需要改的代碼有以下若干文件：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是與應用相關(guān)的。
在OS_CPU.H文件中，包括了用 #define定義的、與處理器相關(guān)的常數、宏以及類(lèi)型。該文件由兩部分組成。一部分為與編譯器相關(guān)的的代碼；另一部分為與處理器相關(guān)的代碼。因處理器為8位字長(cháng)， OS_STK定義為8位字長(cháng)，修改相應語(yǔ)句為 typedef unsigned char OS_STK。 CPU狀態(tài)寄存器為8位，修改相應語(yǔ)句為 typedef unsigned char OS_CPU_SR。在C8051系統中用C語(yǔ)言代碼EA=0表示關(guān)閉總中斷，而用EA=1表示開(kāi)放總中斷，因此相關(guān)代碼修改為#define
OS_CRITICAL_METHOD 1
#if OS_CRITICAL_METHOD == 1
#define OS_ENTER_CRITICAL() EA=0 /*禁止中斷*/
#define OS_EXIT_CRITICAL() EA=1 /*開(kāi)放中斷*/
#endif
另外由于C8051F041單片機的堆棧是從低地址向高地址生長(cháng)的，因此相應語(yǔ)句修改為： #define OS_STK_GROWTH 0。
在OS_CPU_C.C文件中，只需要編寫(xiě)該文件中的十個(gè)函數，但是除了 OSTaskStkInit（）必需之外，其它函數可不編寫(xiě)。
在OS_CPU_A.ASM文件中，要編寫(xiě) 4個(gè)簡(jiǎn)單的匯編語(yǔ)言函數： OSStartHighRdy()、 OSCtxSw()、OSIntCtxSw()、OSTickISR()。由于 Silicon Laboratories IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境支持匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，可以直接編寫(xiě)匯編語(yǔ)言完成移植。 OSStartHighRdy()昀本質(zhì)的功能就是在 OSStart（）啟動(dòng)任務(wù)時(shí)，通過(guò) OSStartHighRdy()來(lái)恢復用戶(hù)堆棧，使用戶(hù)任務(wù)得以運行。完成該功能主要的方法就是將用戶(hù)棧復制到系統堆棧，然后恢復堆棧。 OSCtxSw()主要是完成任務(wù)級的切換工作，可說(shuō)是操作系統的核心部分。主要完成的工作有以下幾項：保存處理器寄存器；在當前的任務(wù)控制塊中保存當前任務(wù)的堆棧指針；調用 OSTaskHooK()；得到將要重新開(kāi)始運行的任務(wù)的堆棧指針；從新的任務(wù)堆棧中恢復處理器所有寄存器的值；執行中斷返回指令。OSIntCtxSw()函數包含的工作與 OSCtxSw()函數要做的工作的工作基本相同，只是開(kāi)頭處不一樣。函數 OSIntCtxSw()一開(kāi)始并沒(méi)有保存堆棧指針，而是調整堆棧指針，這是因為當OSIntCtxSw()開(kāi)始執行時(shí)，OSInitExit()和OSIntCtxSw()的返回地址已經(jīng)放在堆棧中了。
uC/OS-II要求用戶(hù)提供一個(gè)周期性的時(shí)鐘源，來(lái)實(shí)現時(shí)間的延遲和超時(shí)功能。為了完成該任務(wù)，采用C8051F041定時(shí)器0。時(shí)鐘節拍節拍定為 100次/s，時(shí)鐘節拍的啟動(dòng)必須在開(kāi)始多任務(wù)之后，即啟動(dòng)函數 OSStart()運行之后，第一個(gè)任務(wù)運行之前。因此，往往把時(shí)鐘的啟動(dòng)放在第一個(gè)任務(wù)中，否則應用程序會(huì )崩潰。
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