摘 要：本文介紹了給煤機(jī)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng)的硬/軟件設(shè)計(jì)，并詳細(xì)分析了實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)mC/OS-II在Samsung公司32位ARM控制器S3C44B0x上的移植。
關(guān)鍵詞：給煤機(jī)控制系統(tǒng)；S3C44B0x；mC/OS-II

引言
    本文設(shè)計(jì)的給煤機(jī)控制系統(tǒng)主要用于火力發(fā)電廠的磨煤制粉系統(tǒng)中，它與磨煤機(jī)設(shè)備配合，承擔(dān)向系統(tǒng)定量均勻供煤的任務(wù)，是火力發(fā)電廠重要的輔助設(shè)備。這種系統(tǒng)同樣可以應(yīng)用于冶金、化工等部門的散狀物料的計(jì)量輸送系統(tǒng)，對(duì)于節(jié)約能源和提高經(jīng)濟(jì)效益及保證安全方面有重大意義。

圖1  自跟蹤電源電路

圖2  4~20mA電流產(chǎn)生電路

控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)
    該控制系統(tǒng)主要包括稱重傳感器信號(hào)的檢測(cè)、數(shù)字式速度傳感器信號(hào)的檢測(cè)、鍵盤輸入信號(hào)的掃描、液晶顯示屏的顯示，以及一些報(bào)警裝置等。由于本設(shè)計(jì)對(duì)主控制器的要求較高，所以最終采用了Samsung公司的基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的低功耗ARM處理器S3C44B0x作為系統(tǒng)的主控制器。

    稱重傳感器信號(hào)的采集是影響本系統(tǒng)控制精度的最重要因素之一，本設(shè)計(jì)中將傳感器橋路設(shè)計(jì)成4片應(yīng)變片都受力的形式。同時(shí)由于應(yīng)變片式傳感器的輸出信號(hào)非常小，因而要求橋路的電壓特別穩(wěn)定，所以此系統(tǒng)采用了對(duì)稱型、并有正負(fù)壓自跟蹤性能的電源，如圖1所示。

    傳感器的信號(hào)首先經(jīng)過放大、濾波處理，然后送到A/D控制器。S3C44B0x處理器內(nèi)部集成了8路10位的A/D控制器、零比較器和內(nèi)部產(chǎn)生的比較時(shí)鐘信號(hào)，支持軟件使能休眠模式，所以可以很精確的測(cè)出傳感器的信號(hào)。并且通過使用該處理器使得本系統(tǒng)不需要再外擴(kuò)A/D轉(zhuǎn)換芯片，從而減少了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

    速度傳感器檢測(cè)的是皮帶的速度，由于電機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度和皮帶的速度一般不同，有一個(gè)比例系數(shù)，為了確保準(zhǔn)確性，本設(shè)計(jì)單獨(dú)采用了速度傳感器，速度傳感器的脈沖輸出正比于皮帶速度。通過將皮帶的速度信號(hào)和稱重傳感器的重量信號(hào)送入微處理器進(jìn)行處理，就得到了以噸/小時(shí)為單位的實(shí)際流量。

    通過鍵盤輸入所需要的給煤量，將實(shí)際給煤量和所需給煤量進(jìn)行PID運(yùn)算，并把產(chǎn)生的控制信號(hào)用來控制變頻器，進(jìn)而來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)用的變頻器是西門子的MMV400，將此變頻器設(shè)置為4~20mA的電流控制，由控制器比較用戶指令和現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)反饋后發(fā)送4~20mA電流至變頻器的模擬量輸入口，然后變頻器將輸入的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的頻率后輸出來控制電機(jī)。其中產(chǎn)生4~20mA電流的電路如圖2所示。

    ARM處理器的控制數(shù)據(jù)首先經(jīng)過光電隔離送到D/A控制器(TLC5615)，轉(zhuǎn)換成0~2V的電壓信號(hào)，然后經(jīng)過V/I轉(zhuǎn)換器(AD694)產(chǎn)生4~20mA的電流信號(hào)，用來精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

    LCD顯示屏顯示的內(nèi)容包括電機(jī)的轉(zhuǎn)速、所需給煤量、實(shí)際的給煤量，以及皮帶的速度等。S3C44B0x中集成了LCD控制器，可以將顯示緩存中的數(shù)據(jù)傳送到外部的LCD驅(qū)動(dòng)電路中，并可以支持單色、4或16級(jí)灰度的LCD和256級(jí)的彩色LCD。大量的I/O口作為繼電器信號(hào)輸出。并且S3C44B0x還可以通過串口RS-232和上位機(jī)進(jìn)行通信。

控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)
    給煤機(jī)控制系統(tǒng)軟件選用嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)mC/OS-II。它是一個(gè)源代碼公開、可移植、可固化、可剪裁、占先式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。其絕大部分源代碼是用ANSI C寫的，移植方便，并且運(yùn)行穩(wěn)定可靠。目前，它已經(jīng)在幾十種從8位到64位的微處理器，微控制器上實(shí)現(xiàn)了成功的移植。

mC/OS-II在S3C44B0x上的移植
    移植mC/OS-II主要包括：聲明3個(gè)宏(開中斷，關(guān)中斷和任務(wù)切換)；設(shè)置堆棧的增長方向；聲明10個(gè)與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型；用C語言編寫6個(gè)與操作系統(tǒng)有關(guān)的函數(shù)(OS-CPU-C.C任務(wù)堆棧初始化和5個(gè)鉤子函數(shù));用匯編語言編寫4個(gè)與處理器相關(guān)的函數(shù)(OS-CPU.ASM)。

用匯編語言編寫4個(gè)與處理器相關(guān)的函數(shù)如下。
    mC/OS-II需要先禁止中斷再訪問代碼的臨界斷，并且在訪問結(jié)束后重新允許中斷， 操作系統(tǒng)是通過OS_ENTER_CRITICAL()，OS_EXIT_CRITICAL()兩函數(shù)來實(shí)現(xiàn)開中斷和關(guān)中斷的。

    在mC/OS-II中，使用OS-STK-GROWTH來指定堆棧的增長方向，0表示從低地址向高地址增長，1則相反。但是所用的ADS編譯器僅支持高地址向低地址增長的方式，所以O(shè)S-STK-GROWTH應(yīng)設(shè)置為1。

    然后用匯編語言編寫4個(gè)與處理器相關(guān)的函數(shù)，放到函數(shù)OS-CPU.ASM中，這就完成了OS-CPU.ASM文件的移植。上層任務(wù)調(diào)度部分不需要任何改動(dòng)。完成以上工作后，mC/OS-II就可以正常運(yùn)行在S3C44B0x處理器上了。

系統(tǒng)任務(wù)的劃分以及調(diào)度
    嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的任務(wù)不同于前后臺(tái)系統(tǒng)中的子程序模塊，一般，一個(gè)任務(wù)對(duì)應(yīng)于一段獨(dú)立的主程序，它可以調(diào)用子程序，并使用如中斷等各種系統(tǒng)資源。嵌入式系統(tǒng)的任務(wù)劃分，是將系統(tǒng)中所要處理的事情劃分為一個(gè)個(gè)相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)模塊，將其按順序建立一個(gè)個(gè)的任務(wù)，并且分配不同的優(yōu)先級(jí)。在主程序中，所需要做的是建立這些模塊的任務(wù)，然后每次執(zhí)行就緒任務(wù)隊(duì)列中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。根據(jù)本控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，可將任務(wù)劃分如下：鍵盤掃描、傳感器信號(hào)的檢測(cè)、電機(jī)速
度減慢、電機(jī)速度變快，以及液晶顯示等任務(wù)。

    mC/OS-II的任務(wù)調(diào)度是按優(yōu)先級(jí)進(jìn)行的，所以必須為每個(gè)任務(wù)分配不同的優(yōu)先級(jí)，其中0，1，2，3，OS_LOWEST_PRIO-3, OS_LOWEST_PRIO-2, OS_LOWEST_PRIO-1, OS_LOWEST_PRIO，這幾個(gè)優(yōu)先級(jí)供系統(tǒng)使用，所以必須保留。

    根據(jù)每個(gè)任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求以及重要程度，分別將以上任務(wù)的優(yōu)先級(jí)分配為：12、6、7、8和13等。任務(wù)優(yōu)先級(jí)號(hào)越低，優(yōu)先級(jí)越高。

     當(dāng)給煤機(jī)控制系統(tǒng)啟動(dòng)后，如果啟動(dòng)一切正常，則進(jìn)行送煤任務(wù)，運(yùn)行時(shí)，如果傳感器信號(hào)檢測(cè)到給煤量偏多，則發(fā)送信號(hào)給電機(jī)減慢的任務(wù)，反之，就發(fā)送信號(hào)給電機(jī)加速任務(wù)。此外，當(dāng)有一些故障、危險(xiǎn)出現(xiàn)時(shí)，則發(fā)送信號(hào)給停機(jī)任務(wù)?？傊?，在控制系統(tǒng)中，信號(hào)、消息不斷傳遞，使得各任務(wù)不斷切換運(yùn)行，從而整個(gè)系統(tǒng)得以正常的連續(xù)的工作。

結(jié)語
    本文在介紹了給煤機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，介紹了其控制系統(tǒng)的硬件原理以及軟件設(shè)計(jì)，經(jīng)多次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試運(yùn)行，本控制系統(tǒng)能很好的完成電廠的給煤任務(wù)。