基于PIC18F系列单片机的嵌入式系统设计（2） 软件开发, 系统软件, 应用软件, 单片机, 嵌入式

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对于PIC18F系列单片机，目前常用的嵌入式实时操作系统有：μC/OS-II、Salvo、CMX、PIC18OS等。它们都是可剥夺型的实时内核，详细的比较如表1所示。 结合本文的具体应用，综合考虑系统硬件资源及上述几种实时操作系统的特点，最终选用基于操作系统的软件开发模式，并选择μC/OS-II作为系统软件平台。 4.基于μC/OS-II的应用软件开发 μC/OS-II是一个可移植、可固化、可裁剪及可剥夺型的多任务实时内核，应用开发时首先必须完成其在特定硬件上的移植。μC/OS-II在编写的过程中就充分考虑到了可移植性，它的绝大部分代码都由ANSI C写成，与处理器相关的代码集中在OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C这三个文件中，因此只要针对具体的硬件改写这些文件，就可以完成移植工作。 表1 适用于PIC18F系列单片机的几种嵌入式实时操作系统 名称 μC/OS-II Salvo CMX PIC18OS 版权 源码公开的免费实时内核 商用实时内核 商用实时内核 源码公开的免费实时内核 可靠性 可靠性高。通过了美国FAA认证。 可靠性高。 可靠性高。 未测试。 内核大小 可裁剪。内核ROM占用量最少2K，RAM需求由具体应用而定。 内核小，可裁剪。RAM需求很小，一般每个任务需4～12bytes，每个事件需3～4bytes。 较大。 非常小。内核ROM占用量小于1K，RAM最少需求约120bytes。 系统服务 丰富。最多支持64个任务。支持信号量、事件标志组、消息邮箱、消息队列、时间管理、内存管理等。 较丰富。 非常丰富。支持信号量、事件管理、消息邮箱、消息队列、内存管理、设备管理、TCP/IP协议栈等。 少。最多支持8个任务，目前仅支持事件标志，最多支持8个事件。 适用 硬件 平台 非常广泛，已经被移植到了40多种CPU上(包括PIC18F系列单片机)。 较为广泛，适用于8051系列单片机、Microchip的8位单片机、TI的2000系列DSP等。 非常广泛，适用于多种型号的8位、16位、32位、64位处理器，支持大部分DSP。 目前仅支持Microchip公司的PIC18F系列单片机。 调试工具 较少 一般 非常丰富 少 备注 实际开发过程中可针对具体硬件优化内核，从而进一步减少内核代码，提高系统实时性。 有三个版本，Salvo Lite为免费测试版，Salvo SE为标准版，Salvo PRO为增强版。 有两个版本，CMX-RTX为完全版，CMX-TINY+为简化版本。 基于OSEK/VDX标准，但目前仅实现了其Operating System部分。 移植成功之后，就可以开始应用程序的编写工作。RTOS将面向功能的应用开发转化为了面相任务的应用开发，因此软件开发的过程就是将应用系统按照功能细分为多个任务，然后实现每个任务，并为任务确定合适的优先级;对于实时性要求高的操作，需要编写相关的中断服务程序。 永磁无刷直流电动机正常运行的基本条件是：在最佳换相时刻按最佳换相逻辑换相。这个过程对实时性要求很高，所以由中断服务程序完成。反电势过零时，程序进入反电势过零中断服务程序，该中断服务程序根据当前的电机速度设定软件移相定时器的溢出值;当软件移相定时器溢出中断时，程序进入移相定时器中断服务程序，显然，此时即最佳换相时刻。因此，在移相定时器中断服务程序中按最佳换相逻辑完成换相，就能保证电机的正常运行。此外，对于过流、过压、欠压等紧急故障的处理也必须由相应的中断服务程序完成。系统还要完成的功能有：定时采样速度给定，并将采样结果经过调节器转化为PWM波的占空比;响应键盘输入;显示电机的速度、PWM波占空比等系统状态信息;与上位PC机串口通信;系统非紧急故障的处理等等。这些功能对实时性的要求不是很高，故由任务级完成。应用系统的任务如表2所示。 表2 应用系统任务列表 任务名称 TaskAD TaskKey TaskShow TaskErr TaskCom TaskIdle 任务优先级 2 3 4 1 5 7 任务描述 处理AD采用结果，更新PWM占空比 键盘任务 显示任务 系统非紧急故障处理任务 与上位PC机进行串行通讯 操作系统的缺省任务 系统运行时，首先进行系统初始化操作，并创建任务。所有新创建的任务都被置为就绪态，操作系统内核首先调用就绪态中优先级最高的任务运行。系统运行过程中，始终保证运行任务的优先级高于就绪态中的所有任务。当运行着的任务因等待某一事件或延时而被挂起，或者有更高优先级的任务进入了就绪态，则内核中止当前运行着的任务，把CPU的使用权交给就绪态中优先级最高的任务。当中断发生时，系统运行中断服务程序，中断返回时，系统内核将进行任务调度，将优先级最高的就绪态任务转为运行态。例如，系统运行过程中发生了AD采样完成中断，程序进入AD采样完成中断服务程序;中断服务程序向邮箱ADResult发送 AD采样结果，由于任务TaskAD早先因等待邮箱ADResult而被挂起，所以此时任务TaskAD的状态被转为就绪态;中断返回时，内核进行任务调度，由于TaskAD是就绪态中优先级最高的任务(系统正常运行时TaskErr任务始终为挂起态)，因此不管原先被中断的任务是什么，系统都将运行任务 TaskAD，这就保证了任务TaskAD具有足够快的任务响应速度。TaskAD执行一个循环后，又因等待邮箱ADResult而转为挂起态，内核再次进行任务调度，调用就绪态中的最高优先级任务运行。 5. 结论 本文结合无位置传感器永磁无刷直流电动机控制系统的设计，针对系统具体要求，确定了以PIC18F452单片机为主控器件，μC/OS-II作为软件平台的开发方案。实际的开发过程证明了这种开发模式能够满足系统高性能、低成本的设计要求，同时具备了较强的可扩展性和一定技术前瞻性。 值得说明的是，在嵌入式系统中使用RTOS，增强了系统实时性，简化了系统软件设计;同时，也增加了系统的开发成本。一方面，操作系统本省会耗费一定的硬件资源(例如程序存储器、数据存储器、定时器资源等等)，增加了系统的硬件成本;另一方面，若购买商用的实时操作系统，需要额外的软件支出，即使是使用免费的实时内核，也要求开发者对内核本省有深入的理解，需要投入相当的精力。所以，虽然使用RTOS会给开发过程带来一定的便利，但针对具体的应用，是否使用RTOS，若使用，具体选择那种RTOS，都是制定系统方案时值得慎重考虑的问题。 参考文献： [1] 周意成,朱平平,张相军.无位置传感器的方波无刷直流电机压缩机负载的控制.电气自动化,2000 (3):16-19. [2] 3-Phase BLDC Motor Control with Sensorless Back EMF Zero Crossing Detection Using DSP56F80X (Motorola Order No. AN1914/D). Motorola Inc.,U.S.,2001. [3] PIC18FXX2 Data Sheet (DS39564B). Microchip Technology Inc.,U.S.,2002.[4] Labrosse Jean J.嵌入式实时操作系统μC/OS-II(第2版).邵贝贝译.北京:北京航空航天大学出版社,2003