軟件設(shè)計 - ARM+DSP的嵌入式四軸運動控制器設(shè)計

　　3 軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件部分由μC/OS-II實時嵌入式操作系統(tǒng)及相關(guān)應(yīng)用軟件組成。μC/OS- II實時嵌入式操作系統(tǒng)僅僅提供了一個任務(wù)調(diào)度的實時內(nèi)核，因而需要自行開發(fā)一系列與系統(tǒng)運行相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序、API函數(shù)及應(yīng)用程序，才能將 μC/OS-II擴展為一個完整、實用的實時操作系統(tǒng)。

　　3．1 Boot Loader的設(shè)計

　　嵌入式系統(tǒng)中，通常并沒有像BIOS那樣的固件程序，因此整個系統(tǒng)的加載啟動任務(wù)就完全由Boot Loader來完成。Boot Loader是系統(tǒng)加電后運行的第一段代碼，負(fù)責(zé)初始化系統(tǒng)并啟動操縱系統(tǒng)，相當(dāng)于PC機的程序。Boot Loader初始化硬件設(shè)備，建立內(nèi)存空間的映射圖，為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。

　　Boot Loader分為階段1和階段2兩個部分，與CPU核以及存儲設(shè)備密切相關(guān)的處理工作通常都放在階段1中，且可以用匯編語言來實現(xiàn)；而階段2則通常用C語言來實現(xiàn)一般的流程以及對板級的一些驅(qū)動支持。

　　階段1主要進(jìn)行定義入口、設(shè)置中斷向量、系統(tǒng)寄存器配置、初始化寄存器等操作。而階段2主要完成調(diào)用初始化函數(shù)、初始化閃存設(shè)備、初始化內(nèi)存分配函數(shù)等操作。Boot Loader是嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)的第一個環(huán)節(jié)，把實時操作系統(tǒng)和硬件平臺緊密地結(jié)合起來，對于嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)尤為重要。

　　3．2 μC/OS-II在S3132440的移植

　　嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II是一個源代碼公開的多任務(wù)實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，它簡化了應(yīng)用軟件的設(shè)計，使控制系統(tǒng)的實時性得到保障。良好的多任務(wù)設(shè)計，有助于提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。所謂移植，就是通過修改操作系統(tǒng)內(nèi)核與處理器相關(guān)部分的源代碼，使一個實時內(nèi)核能在微處理器或微控制器上運行。 μC/OS-II的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括核心代碼部分，配置代碼部分，處理器相關(guān)代碼部分，如圖4所示。其中處理器相關(guān)代碼部分包括 OS_CPU.H，OS_CPU.A.ASM，OS_CPU.C.C 3個文件。將μC/OS-II移植到S3C2440只需要修改與處理器相關(guān)的代碼即可。

　　圖4 μC/OS-II的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　3．3 系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計

　　實時應(yīng)用程序的設(shè)計過程包括如何把問題分割為多個子任務(wù)，每個子任務(wù)都是整個系統(tǒng)的一部分，都被賦予一定的優(yōu)先級，有自己的一套CPU寄存器和堆棧空間。一個任務(wù)，也叫一個線程，是一個簡單的程序，該程序可以認(rèn)為CPU完全只屬于自己。在本設(shè)計中將任務(wù)劃分為人機界面的設(shè)計、數(shù)控指令編譯解釋、伺服單元采集任務(wù)、狀態(tài)監(jiān)視等。μC/OS-II可以按照優(yōu)先級啟動各個任務(wù)，并通過內(nèi)核來完成任務(wù)之間的調(diào)度。系統(tǒng)的基本流程如圖5所示。

　　圖5 用戶程序流程

　　S3C2440根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用程序?qū)χ噶钸M(jìn)行解釋，調(diào)用運動控制函數(shù)，繼而PCL6045BL發(fā)出脈沖控制伺服電機去控制執(zhí)行機構(gòu)動作，實現(xiàn)運動控制的結(jié)果。

　　3．4 NC代碼解釋

　　運動控制器接受來自上位機發(fā)送過來的加工文件，但加工文件指令在程序中不能直接被識別，在執(zhí)行指令之前必須先對其進(jìn)行解析譯碼。解釋器的主要功能就是將用戶程序以程序段為處理單位，將程序中的輪廓信息、運行速度和輔助功能信息，轉(zhuǎn)換成嵌入式運動控制器能夠執(zhí)行的格式。解釋過程主要包括數(shù)控文件的讀入、詞法分析、語法分析以及加工信息存儲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等過程，如圖6所示。

　　圖6 程序處理流程

　　4 實例分析

　　上位機通過RS485總線與S3C2440連接，把NC指令文件輸入到ARM 中，經(jīng)過NC代碼解釋器，變成PCL6045BL能夠識別的代碼，從而完成規(guī)定的運動控制功能。用NC代碼編寫如下加工程序：

　　N001 COO X15 Y25//起始點選定

　　N002 G18//XY平面選擇

　　N003 G90 G01 X15 Y5//準(zhǔn)備直線插補

　　N004 X30 Y5//（15，5）到（30，5）

　　N005 X30 Y15//前行至點（30，15）

　　N006 X45 Y15//前行至點（45，15）

　　N007 X45 Y5//前行至點（45，5）

　　N008 X60 Y5//前行至點（60，5）

　　N009 X60 Y25//前行至點（60，25）

　　N010 X15 Y25／／回到始點（15，25）

　　根據(jù)上面所給的代碼可以完成如圖7所示的多點之間直線插補的功能。

　　圖7 多線段直線插補運動軌跡

　　5 結(jié)語

　　該運動控制器的硬件結(jié)構(gòu)是基于微處理器S3C2440和PCL6045BL運動控制芯片設(shè)計的，它較好地發(fā)揮了ARM處理器的高性能、低成本和運動控制芯片的高可靠性、開發(fā)周期短的優(yōu)點；在控制器硬件平臺上移植μC/OS-II實時操作系統(tǒng)既能使整個軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡結(jié)、層次清晰，又能很好地達(dá)到運動控制實時性的要求。