CPT系統(tǒng)中的嵌入式控制系統(tǒng)體系構(gòu)建

陳小娟

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，中國(guó) 重慶400030）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速前進(jìn)，在社會(huì)、企業(yè)和家庭中電氣化設(shè)備日益增多，成為現(xiàn)代化生產(chǎn)和生活工具的主流。 對(duì)于一些電氣設(shè)備，傳統(tǒng)供電方式限制了它們的普及和使用靈活性，同時(shí)給安全供電和環(huán)境安全問(wèn)題帶來(lái)了很大的影響。隨著人們生活以及生產(chǎn)活動(dòng)范圍的擴(kuò)大，人們迫切需要一種新型的電能傳輸技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足新型電氣設(shè)備及各種特殊條件下的供電需求。 而CPT 系統(tǒng)采用基于電磁感應(yīng)耦合原理的非接觸式電能傳輸技術(shù)，克服了傳統(tǒng)供電模式的種種不足[1]。

現(xiàn)今，人們對(duì)ARM(Advanced RISC Machines)已有深入了解，亦逐步認(rèn)識(shí)到8 位MCU、32 位ARM、DSP（Digital Signal Processor）各自的優(yōu)勢(shì)所在。 在很多情況下，一個(gè)優(yōu)秀的系統(tǒng)，既需要ARM 的超強(qiáng)事務(wù)管理功能，更需要DSP 的運(yùn)算功能，兩者缺一不可。 DSP 由于其特殊的結(jié)構(gòu)、專(zhuān)門(mén)的硬件乘法器和特殊的指令，使其能快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理及滿(mǎn)足各種高實(shí)時(shí)性要求。隨著現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜度越來(lái)越高，操作系統(tǒng)已成為嵌入式系統(tǒng)不可缺少的部分。 而嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)免費(fèi)的嵌入式操作系統(tǒng)，如Linux，它是一個(gè)免費(fèi)的、強(qiáng)大的、可信賴(lài)的、具有可伸縮性與擴(kuò)充性的操作系統(tǒng)。Linux 實(shí)現(xiàn)了許多現(xiàn)代化操作系統(tǒng)的理論，并且支持完整的硬件驅(qū)動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議與多處理器的架構(gòu)，其源碼的公開(kāi)更有利于操作系統(tǒng)嵌入式應(yīng)用[2]。

基于上述分析， 本文針對(duì)CPT 系統(tǒng)的性能要求提出了基于ARM和DSP 芯片的嵌入式系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用了ARM 和DSP 的各自特點(diǎn)，使用ARM 和DSP 芯片進(jìn)行協(xié)同開(kāi)發(fā)。 操作系統(tǒng)則選用了源代碼開(kāi)放的Linux，以利于充分發(fā)揮系統(tǒng)的效能。

1 引入嵌入式技術(shù)的必要性

在CPT 系統(tǒng)中引入嵌入式技術(shù)的理由有以下兩點(diǎn)：

（1）從目前的角度出發(fā)，首先，CPT 系統(tǒng)需要一個(gè)能夠提供監(jiān)視、控制、多進(jìn)程、可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)的任務(wù)、可人工手動(dòng)控制亦可自動(dòng)運(yùn)行等功能的智能控制系統(tǒng)；其次，嵌入式系統(tǒng)體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，可作為一個(gè)部件埋藏于所控制的裝置中，它提供用戶(hù)接口、管理有關(guān)信息的輸入輸出、監(jiān)控設(shè)備工作，使設(shè)備及應(yīng)用系統(tǒng)有較高智能和性?xún)r(jià)比；再者，目前微處理器可選用DSP、單片機(jī)和ARM 系列等，雖然目前國(guó)內(nèi)工業(yè)控制場(chǎng)合中用的嵌入式工控設(shè)備大多采用的是以8 位單片機(jī)（MCS-51）為內(nèi)核，有價(jià)格低廉、設(shè)計(jì)較容易、能達(dá)到一般要求的優(yōu)點(diǎn)，但也存在著存儲(chǔ)容量小、獨(dú)立工作時(shí)功能較弱、較強(qiáng)功能要與PC機(jī)聯(lián)機(jī)才能實(shí)現(xiàn)、實(shí)時(shí)性能不強(qiáng)、定位精度不高、人機(jī)交互復(fù)雜、操作不方便等缺點(diǎn)， 且CPT 系統(tǒng)要求的上述功能用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)是非常復(fù)雜的。 DSP 主要是用作大量的數(shù)據(jù)處理，在消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品中應(yīng)用比較廣泛；ARM 微處理器在工業(yè)控制、手持設(shè)備中的應(yīng)用則比較多，更主要的是ARM 能夠很容易地實(shí)現(xiàn)以上的功能。

（2）從未來(lái)的角度出發(fā)，首先，嵌入式系統(tǒng)是CPT 系統(tǒng)的部件，適用于對(duì)功能、體積、成本、可靠性、功耗有嚴(yán)格要求的CPT 系統(tǒng)或其它系統(tǒng)；其次，嵌入式控制系統(tǒng)還可應(yīng)用于CPT 系統(tǒng)的故障診斷，且嵌入式系統(tǒng)接口的可擴(kuò)展性和軟硬件可裁減的靈活性也是一大優(yōu)點(diǎn)，對(duì)將來(lái)系統(tǒng)的擴(kuò)展或者裁減都十分方便。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)及功能簡(jiǎn)介

2.1 整體設(shè)計(jì)

本嵌入式控制系統(tǒng)的硬件資源如下：3.5 寸的液晶顯示屏能夠提供實(shí)時(shí)的顯示，用于顯示相關(guān)參數(shù)的工作菜單、采集的波形等；可接入PS/2 標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)； RS232 串行口或USB 接口用于與CPT 系統(tǒng)和PC 機(jī)連接；16M 的flash 用于存儲(chǔ)軟件代碼和保存系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)；64M 的SDRAM 提供Linux 操作系統(tǒng)和控制軟件運(yùn)行所需的存儲(chǔ)空間；JTAG接口用于調(diào)試； 另有五個(gè)面板按鍵用于手動(dòng)控制CPT 系統(tǒng)。 在軟件上，由于采用較高性能的處理器及相關(guān)外圍硬件設(shè)備，系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信協(xié)議更加可靠、合理、易于擴(kuò)展；32 位的數(shù)據(jù)處理能力可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的參數(shù)的高速處理；數(shù)據(jù)采樣頻率為500ksps；友好的人機(jī)交互使得對(duì)CPT 系統(tǒng)的參數(shù)的監(jiān)控極為方便。

本控制系統(tǒng)集成度更高、體積更小，既可作為嵌入式系統(tǒng)獨(dú)立工作，也可作為從屬功能設(shè)備由PC 機(jī)進(jìn)行控制，以完成更復(fù)雜的工作。目前流行的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式是采用DSP+MCU 雙處理器，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和協(xié)同工作。 這樣，在滿(mǎn)足處理大運(yùn)算量實(shí)時(shí)任務(wù)要求的同時(shí)，極大地降低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本。 單片機(jī)用來(lái)分擔(dān)部分實(shí)時(shí)性要求不高的系統(tǒng)任務(wù)，如系統(tǒng)配置管理、人機(jī)交互、通信等。但是，為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)任務(wù)的調(diào)度， 軟件上必須結(jié)合嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，才能真正實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制[3]。

基于上述分析，我們選擇以DSP+ARM 為雙處理器，開(kāi)發(fā)出CPT系統(tǒng)嵌入式控制系統(tǒng)體系構(gòu)架。 系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。

圖1 總體硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 功能簡(jiǎn)介

在本系統(tǒng)中，ARM 作為主控制器負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的工作流程，任務(wù)調(diào)度，集中處理系統(tǒng)各部分中斷，完成與外部系統(tǒng)的通信。DSP 處理器主要完成對(duì)電路參數(shù)信號(hào)的處理并作出決策輸出何種波形。 ARM 主要用于決策，在本裝置中采用ARM 構(gòu)架的嵌入式芯片S3C2410。 DSP作為數(shù)據(jù)運(yùn)算部分， 可以充分發(fā)揮其對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，本系統(tǒng)中采用的是TI 公司的RMS320LF2407 芯片，該系列的DSP 以其高性?xún)r(jià)比普遍應(yīng)用于各類(lèi)通信、便攜式應(yīng)用當(dāng)中。

2.3 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中ARM 屬于決策層。 ARM 將CPT 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送給DSP，并且將得到的數(shù)據(jù)以波形顯示出來(lái)。 DSP 的主要作用是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。 則對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，校正后重新傳送給CPT。 ARM部分主要由觸摸屏、RS232 串口、USB 接口等與其他設(shè)備通信。該部分結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖3 所示，控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)可分為啟動(dòng)代碼層、驅(qū)動(dòng)程序?qū)印⒉僮飨到y(tǒng)層、系統(tǒng)組件層和應(yīng)用程序（包括智能PID 控制算法模塊、人機(jī)通信模塊、A/D 采樣模塊、PWM 信號(hào)輸出模塊）五個(gè)層次。

圖3 智能控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

3.1 啟動(dòng)代碼層

啟動(dòng)代碼類(lèi)似于PC 機(jī)中的BIOS， 位于系統(tǒng)上電后pc 指針的初始位置，是最先執(zhí)行的程序。啟動(dòng)代碼用于整個(gè)系統(tǒng)的初始化，使系統(tǒng)處于一種確定的狀態(tài)，為加載操作系統(tǒng)以及應(yīng)用程序做準(zhǔn)備。

3.2 驅(qū)動(dòng)程序?qū)?/h3>

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核與硬件設(shè)備連接的接口，驅(qū)動(dòng)程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)。 在應(yīng)用程序中硬件設(shè)備都以文件的形式存放在／dev 目錄下，稱(chēng)為設(shè)備文件。 這些硬件部件包括LCD 顯示屏、A/D 轉(zhuǎn)換器、鍵盤(pán)等，應(yīng)用程序可以打開(kāi)、關(guān)閉和讀寫(xiě)這些設(shè)備文件，完成對(duì)設(shè)備的操作，就像操作普通的數(shù)據(jù)文件一樣。 系統(tǒng)組件和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都是操作系統(tǒng)的一部分。

3.3 操作系統(tǒng)層

操作系統(tǒng)內(nèi)核是整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)程序的協(xié)調(diào)工作，如任務(wù)調(diào)度、進(jìn)程間通信、中斷處理、資源管理及分配等。在CPT控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，我們經(jīng)過(guò)仔細(xì)的方案論證，選擇了裁減改造以后的Linux 作為嵌入式操作系統(tǒng)，本文將在第3 章中詳細(xì)論述改造的原理、方法和具體步驟。

3.4 系統(tǒng)組件層

該層軟件主要是一些可選擇安裝的模塊， 可根據(jù)不同的功能需要，操作系統(tǒng)可以添加不同的系統(tǒng)組件。 本文的CPT 控制系統(tǒng)中，主要選擇了以下模塊：

（1）文件系統(tǒng)。由于要顯示讀取控制信息，將文件系統(tǒng)從基本操作系統(tǒng)中分離出來(lái)，作為一個(gè)單獨(dú)的模塊，選擇了支持FLASHROM 的文件系統(tǒng)。

（2）TCP/IP 模塊。 TCP/IP 協(xié)議是計(jì)算機(jī)通信的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是訪(fǎng)問(wèn)Internet 的基礎(chǔ)，采用該模塊是為了方便主機(jī)與目標(biāo)板的通信，并且為CPT 控制的網(wǎng)絡(luò)化做準(zhǔn)備。

（3）圖形界面模塊，主要提供給用戶(hù)良好的人機(jī)接口界面，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可讀性和易操作性。本系統(tǒng)采用MiniGUI 提供圖形用戶(hù)界面的支持。

3.5 應(yīng)用程序?qū)?/h3>

一個(gè)系統(tǒng)具有的多種功能，比如接收鍵盤(pán)輸入、顯示數(shù)據(jù)結(jié)果、接收采集數(shù)據(jù)等等。 類(lèi)似這樣的動(dòng)作被稱(chēng)為事件，任何一個(gè)事件觸發(fā)之后，都會(huì)有相應(yīng)的任務(wù)來(lái)管理這些事件。 這些任務(wù)的集合便組成了用戶(hù)的應(yīng)用程序。 在CPT 控制系統(tǒng)中，開(kāi)發(fā)了CPT 系統(tǒng)的鍵盤(pán)輸入、數(shù)據(jù)采樣、信息顯示、算法分析、信號(hào)輸出等應(yīng)用程序。

3.6 主程序設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖4 所示。系統(tǒng)上電復(fù)位或按RESET 鍵復(fù)位，程序?qū)娜肟诘刂诽庨_(kāi)始執(zhí)行，進(jìn)行系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)初始化結(jié)束后，開(kāi)始執(zhí)行主程序。

圖4 系統(tǒng)總流程圖

系統(tǒng)初始化主要包括提供啟動(dòng)代碼，用以完成對(duì)CPU 的初始化、外部FLASH/SDRAM 的片選初始化、系統(tǒng)初始頻率的初始化以及串口的初始化、時(shí)鐘模式寄存器TCON 等的設(shè)置。待初始化正常后，等待中斷請(qǐng)求，本系統(tǒng)把數(shù)據(jù)輸出反饋、周期實(shí)時(shí)采集設(shè)為實(shí)時(shí)任務(wù)響應(yīng)，把人機(jī)對(duì)話(huà)設(shè)為非實(shí)時(shí)任務(wù)中斷，中斷向量表存放于一個(gè)子文件中。 一旦有允許中斷請(qǐng)求，CPU 被喚醒，進(jìn)入活動(dòng)模式，執(zhí)行中斷服務(wù)程序，執(zhí)行完畢后，系統(tǒng)返回到中斷前的狀態(tài)，ARM 繼續(xù)低功耗模式。

在整個(gè)過(guò)程中，需要完成的功能是：定時(shí)選通2 路A/D 轉(zhuǎn)換器對(duì)流入初級(jí)回路諧振網(wǎng)絡(luò)的電流和諧振網(wǎng)絡(luò)兩端電壓信號(hào)進(jìn)行采樣、濾波；定時(shí)對(duì)處理好的采樣值得到 和 過(guò)零點(diǎn)的相位差，進(jìn)行算法分析處理，輸出脈沖控制信號(hào)， 使 和 的相位差保持在一定范圍內(nèi)變化； 接受中斷請(qǐng)求，處理鍵盤(pán)發(fā)送的數(shù)據(jù)，傳送顯示所需的數(shù)據(jù)。

圖5 采用智能PID 時(shí)諧振電容電壓波形局部放大

4 仿真結(jié)果

在常規(guī)PID 控制器參數(shù)確定之后，我們以此為依據(jù)進(jìn)行智能PID控制器的設(shè)計(jì)，其具體控制參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)試而得到。此時(shí)，初級(jí)回路的諧振電容電壓波形局部放大如圖5 所示，此結(jié)果表明采用智能PID控制器比采用常規(guī)PID 時(shí)初級(jí)回路諧振電容兩端的電壓波形畸變程度小很多。

5 結(jié)論

隨著嵌入式系統(tǒng)的飛速發(fā)展、社會(huì)對(duì)技術(shù)的要求越來(lái)越高，對(duì)非接觸式電能傳輸技術(shù)的需求也日益增長(zhǎng)，而嵌入式系統(tǒng)的加入使得本CPT 系統(tǒng)的性能和工作效率得到了大大的提高，這在實(shí)驗(yàn)仿真中已經(jīng)驗(yàn)證。

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