CPT系統(tǒng)中的嵌入式控制系統(tǒng)體系構(gòu)建[權(quán)威資料]

CPT 系統(tǒng)中的嵌入式控制系統(tǒng)體系構(gòu)建 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 【摘 要】本文介紹了非接觸式電能傳輸系統(tǒng)（ Contactless Power Transfer）以下簡稱 CPT 系統(tǒng)）的嵌入式控制系統(tǒng)的整體設(shè)計。利用 ARM 做決策層、 DSP 實現(xiàn)實時控制、 Linux 為操作系統(tǒng)以及 MiniGUI 圖形庫技術(shù)，設(shè)計出了一種在 CPT 系統(tǒng)中應(yīng)用的體系架構(gòu)。 【關(guān)鍵詞】 CPT 系統(tǒng)； ARM； DSP； Linux；硬件體系；軟件結(jié)構(gòu) 0 引言 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，社會經(jīng)濟飛速前進，在社會、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，同時給安全供電和環(huán)境安全問題帶來了很大的影響。隨著人們生活以及生產(chǎn)活動范圍的擴大，人們迫切需要一種新型的電能傳輸技術(shù)來滿足新型電氣設(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 ARM（ Advanced RISC Machines）已有深入了解，亦逐步認識到 8 位 MCU、 32 位 ARM、 DSP（ Digital Signal Processor）各自的優(yōu)勢所在。在很多情況下，一個優(yōu)秀的系統(tǒng)，既需要 ARM 的超強事務(wù)管理功能，更需要 DSP的運算功能，兩者缺一不可。 DSP 由于其特殊的結(jié)構(gòu)、專門的硬件乘法器和特殊的指令，使其能快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理及滿足各種高實時性要求。隨著現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜度越來越高，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)免費的嵌入式操作系統(tǒng)，如 Linux，它是一個免費的、強大的、可信賴的、具有可伸縮性與擴充性的操作系統(tǒng)。 Linux 實現(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 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，使用 ARM 和 DSP 芯片進行協(xié)同開發(fā)。操作系統(tǒng)則選用了源代碼開放的 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： （ 1）從目前的角度出發(fā)，首先， CPT 系統(tǒng)需要一個能夠提供監(jiān)視、控制、多進程、可實現(xiàn)實時或非實時的任務(wù)、可人工手動控制亦可自動運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，可作為一個部件埋藏于所控制的裝置中，它提供用戶接口、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)有較高智能和性價比；再者，目前微處理器可選用 DSP、單片機和 ARM 系列等，雖然目前國內(nèi)工業(yè)控制場合中用的嵌入式工控設(shè)備大多采用的是以 8 位單片機（ MCS-51）為內(nèi)核，有價格 低廉、設(shè)計較容易、能達到一般要求的優(yōu)點，但也存在著存儲容量小、獨立工作時功能較弱、較強功能要與 PC 機聯(lián)機才能實現(xiàn)、實時性能不強、定位精度不高、人機交互復(fù)雜、操作不方便等缺點，且 CPT 系統(tǒng)要求的上述功能用單片機來實現(xiàn)是非常復(fù)雜的。 DSP 主要是用作大量的數(shù)據(jù)處理，在消費類產(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 能夠很容易地實現(xiàn)以上的功能。 （ 2）從未來的角度出發(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)接口的可擴展性和軟硬件可裁減的靈活性也是一大優(yōu)點，對將來系統(tǒng)的擴展或者裁減都十分方便。 2 系統(tǒng)整體設(shè)計及功能簡介 2.1 整體設(shè)計 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時的顯示，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； RS232 串行口或 USB 接口用于與 CPT 系統(tǒng)和 PC 機連接； 16M 的 flash 用于存儲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)和控制軟件運行所需的存儲空間； JTAG 接口用于調(diào)試；另有五個面板按鍵用于手動控制 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、易于擴展； 32 位的數(shù)據(jù)處理能力可以實現(xiàn)對采集到的參數(shù)的高速處理；數(shù)據(jù)采樣頻率為 500ksps；友好的人機交互使得對 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)獨立工作，也可作為從屬功能設(shè)備由 PC 機進行控制，以完成更復(fù)雜的工作。目前流行的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計模式是采用 DSP+MCU 雙處理器，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和協(xié)同工作。這樣，在滿足處理大運算量實時任務(wù)要求的同時，極大地降低了系統(tǒng)的設(shè)計成本。單片機用來分擔(dān)部分實時性要求不高的系統(tǒng)任務(wù)，如系統(tǒng)配置管理、人機交互、通信等。但是，為了實現(xiàn)實時任務(wù)的調(diào)度，軟件上必須結(jié)合嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，才能真正實現(xiàn)實時控制 3。 基于上述分析，我們選擇以 DSP+ARM 為雙處理器，開發(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。 2.2 功能簡介 在本系統(tǒng)中， ARM 作為主控制器負責(zé)整個系統(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 處理器主要完成對電路參數(shù)信號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)運算部分，可以充分發(fā)揮其對數(shù)字信號處理的獨特優(yōu)勢，本系統(tǒng)中采用的是 TI公司的 RMS320LF2407 芯片，該系列的 DSP 以其高性價比普遍應(yīng)用于各類通信、便攜式應(yīng)用當(dāng)中。 2.3 硬件架構(gòu)設(shè)計 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。 DSP 的主要作用是實現(xiàn)實時控制。則對接收到的數(shù)據(jù)進行分析，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。 3 控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計 如圖 3 所示，控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)可分為啟動代碼層、驅(qū)動程序?qū)?、操作系統(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、人機通信模塊、 A/D 采樣模塊、PWM 信號輸出模塊）五個層次。 3.1 啟動代碼層 啟動代碼類似于 PC 機中的 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。啟動代碼用于整個系統(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)動程序?qū)?設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核與硬件設(shè)備連接的接口，驅(qū)動程序屏蔽了硬件的細節(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、鍵盤等，應(yīng)用程序可以打開、關(guān)閉和讀寫這些設(shè)備文件，完成對設(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)核是整個軟件系統(tǒng)的核心，負責(zé)整個系統(tǒng)程序的協(xié)調(diào)工作，如任務(wù)調(diào)度、進程間通信、中斷處理、資源管理及分配等。在 CPT 控制系統(tǒng)的設(shè)計中，我們經(jīng)過仔細的方案論證，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，作為一個單獨的模塊，選擇了支持 FLASHROM 的文件系統(tǒng)。 （ 2） TCP/IP 模塊。 TCP/IP 協(xié)議是計算機通信的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是訪問 Internet 的基礎(chǔ)，采用該模塊是為了方便主機與目標(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，主要提供給用戶良好的人機接口界面，增強了系統(tǒng)的可讀性和易操作性。本系統(tǒng)采用 MiniGUI提供圖形用戶界面的支持。 3.5 應(yīng)用程序?qū)?一個系統(tǒng)具有的多種功能，比如接收鍵盤輸入、顯示數(shù)據(jù)結(jié)果、接收采集數(shù)據(jù)等等。類似這樣的動作被稱為事件，任何一個事件觸發(fā)之后，都會有相應(yīng)的任務(wù)來管理這些事件。這些任務(wù)的集合便組成了用戶的應(yīng)用程序。在 CPT 控制系統(tǒng)中，開發(fā)了 CPT 系統(tǒng)的鍵盤輸入、數(shù)據(jù)采樣、信息顯示、算法分析、信號輸出等應(yīng)用程序。 3.6 主程序設(shè)計 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_始執(zhí)行，進行系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)初始化結(jié)束后，開始執(zhí)行主程序。 系統(tǒng)初始化主要包括提供啟動代碼，用以完成對 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、時鐘模式寄存器 TCON 等的設(shè)置。待初始化正常后，等待中斷請求，本系統(tǒng)把數(shù)據(jù)輸出反饋、周期實時采集設(shè)為實時任務(wù)響應(yīng)，把人機對話設(shè)為非實時任務(wù)中斷，中斷向量表存放于一個子文件中。一旦有允許中斷請求， CPU 被喚醒，進入活動模式，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。 在整個過程中，需要完成的功能是：定時選通 2 路 A/D轉(zhuǎn)換器對流入初級回路諧振網(wǎng)絡(luò)的電流 和諧振網(wǎng)絡(luò)兩端電壓 信號進行采樣、濾波；定時對處理好的采 樣值得到 和 過零點的相位差，進行算法分析處理，輸出脈沖控制信號，使 和 的相位差保持在一定范圍內(nèi)變化；接受中斷請求，處理鍵盤發(fā)送的數(shù)據(jù)，傳送顯示所需的數(shù)據(jù)。 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)進行智能 PID 控制器的設(shè)計，其具體控制參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗調(diào)試而得到。此時，初級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 時初級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、社會對 技術(shù)的要求越來越高，對非接觸式電能傳輸技術(shù)的需求也日益增長，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，這在實驗仿真中已經(jīng)驗證。 【參考文獻】 1杜雪飛，孫躍 .混合電動車及其電氣驅(qū)動系統(tǒng) J.重慶大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版， 2002， 09： 59-64. 2劉斌，李仲陽， ARM/DSP 雙核系統(tǒng)的通信接口設(shè)計J.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用， 2005， 05： 22-24. 3高佳，王愛民，于海 .新型嵌入式電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的設(shè)計 J.現(xiàn)代電子技 術(shù)， 2005， 16（ 207）： 26-28. 4方琳琳 .基于嵌入式技術(shù)的 CPT 系統(tǒng)的控制算法的研究與實現(xiàn) D.重慶大學(xué)， 2007.04： 20-22. 責(zé)任編輯：劉帥 文檔資料： CPT 系統(tǒng)中的嵌入式控制系統(tǒng)體系構(gòu)建 完整下載 完整閱讀 全文下載 全文閱讀 免費閱讀及下載 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