CN101201594A

CN101201594A - 基于cmx-rtos嵌入式实时操作系统的电动执行机构控制方法

Info

Publication number: CN101201594A
Application number: CNA2007101502556A
Authority: CN
Inventors: 赵辉; 岳有军; 王红君; 韩德宇
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2007-11-21
Filing date: 2007-11-21
Publication date: 2008-06-18

Abstract

一种基于CMX－RTOS嵌入式实时操作系统的电动执行机构控制方法。包括：1.确定电动执行机构的任务：将电动执行机构的功能任务分为信号采集处理任务、红外通信任务、与PROFIBUS－DP接口板通信任务、键盘处理任务和LCD液晶显示任务；2.根据各个任务的执行顺序以及对系统安全性影响的大小决定各任务的优先级；3.比较就绪任务和当前运行任务的优先级高低；4.确定要执行的任务。本发明涉及的电动执行机构包括：位置检测电路、中央处理电路、电机驱动电路、PROFIBUS－DP接口电路组成。本发明通过引入CMX－Schedule嵌入式实时操作系统的设计方法，使电动执行机构能够实时响应上位机及现场设备的控制要求，准确、及时地完成系统的控制任务。

Description

基于CMX-RTOS嵌入式实时操作系统的电动执行机构控制方法

【技术领域】：本发明属于工业仪表控制技术领域，实现一种基于CMX-RTOS嵌入式实时操作系统的智能电动执行机构控制方法。

【背景技术】：电动执行机构系列是一类终端控制仪表，广泛应用于大型化工、石油、冶金、电力等行业，用于对压力、流量、温度进行调节。电动执行机构是工业过程控制中的重要设备，它接收来自调节器的模拟信号(一般是4～20mA电流信号)或上位机的数字信号，并将其转换为电动执行机构相应的角位移或直线位移输出，去驱动阀门、挡板等动作，以实现对各种过程参数的自动控制。随着国内工业自动化水平的日益提高，对电动执行机构技术性能的要求亦越来越高，迫切需要新一代的智能化电动执行机构来代替目前使用的产品，以提高自动化程度和生产效率。

【发明内容】：本发明目的是提供一种基于CMX-RTOS嵌入式实时操作系统的智能电动执行机构控制方法，引入嵌入式实时操作系统CMX-RTOS，使该方法具有良好的实时性，具有可移植、可裁减等特点，可以很好地解决国产电动执行机构存在的上述问题。

CMX-RTOS是一种基于抢占式的实时多任务操作系统，可以提供任务调度、中断服务管理、事件管理和时间管理等功能。

本发明利用Microchip公司的高性能数字信号控制器dsPIC6014A结合CMX-RTOS嵌入式实时操作系统，实现信号的高精度和快速处理，更好地提高电动执行机构的智能化、微机化水平，并能保证电动执行机构具有较好的实时性和可靠性。

本发明提供的基于CMX-RTOS嵌入式实时操作系统的电动执行机构控制方法包括：

第一、确定电动执行机构的任务：针对电动执行机构各个部分功能采用了模块化设计思想，将任务划分为信号采集处理任务、红外通信任务(UART1)、与PROFIBUS-DP接口板通信任务(UART2)、键盘处理任务和LCD液晶显示任务共五部分；

第二、：各任务的优先级设置：根据各个任务的实时性要求以及对系统安全性影响的大小决定各任务的优先级；

第三、比较就绪任务和当前运行任务的优先级高低；

第四、确定要执行的任务：当就绪任务的优先级高于当前运行任务时，则由CMX-Scheduler实时系统内核实现任务调度切换，首先保存当前运行任务，并执行就绪任务；当就绪任务的优先级低于当前运行任务时，继续等待。

本发明为了保证系统的高稳定性，采用静态优先权，即运行过程中任务优先权不变。CMX-Scheduler采用基于优先级的可抢占式调度算法，根据任务的优先级，确定任务的执行先后顺序，从而保证关键任务被及时处理，保证系统实时性。

上述所说的信号采集处理任务由定时数据采集、数字滤波、数据转换等子程序构成，数据采集时间周期可根据需要设定，数字滤波由多种算法构成，可根据实际现场工况选择最佳滤波算法。完成上述任务的硬件电路采用的是高性能的导电塑料精密旋转电位器检测阀门所处开度位置。对输入的电压电流信号进行调理、放大及滤波，由Microchip公司的高性能数字信号控制器dsPIC6014A的12位精度的片上A/D转换模块处理位置信号。

上述所说的红外通信处理任务包括接收、发送、校验子程序。接收、发送子程序通讯参数可设定，数据格式可设定，校验算法可设定。完成上述任务的红外通信接口电路由MCP2122编解码芯片和TFDU4100的红外收发芯片组成，MCP2122与主控制器dsPIC6014A通过异步串行通信方式(UART)实现通讯数据传输。

上述所说的PROFIBUS-DP接口板通信任务实现主控制器dsPIC6014A与PROFIBUS-DP接口板之间利用异步串行通信方式(UART)实现总线数据传输，实现电动执行机构的总线化功能。该任务包括接收、发送、校验、报错子程序。接收、发送子程序通讯参数可设定，数据格式可设定，校验算法可设定，报错子程序可根据当前通讯状态判断是否发生通讯故障。

上述所说的键盘处理任务。通过按键电路实现电动执行机构参数设定和手自动切换功能。

上述所说的LCD液晶显示任务。包括显示数据格式转换和通讯子程序。完成上述任务的硬件选用28×64点阵式LCM液晶显示模块，其中内嵌了带有片上RAM的液晶控制器，它与主控制器dsPIC6014A之间通过I²C总线方式工作。

本发明的优点和积极效果：

本发明通过引入CMX-Schedule嵌入式实时操作系统的设计方法，使电动执行机构能够实时响应上位机及现场设备的控制要求，准确、及时地完成系统的控制任务。经过现场实践检验，电动执行机构运行稳定，具有较高的实时性。

【附图说明】：

图1是本发明所涉“基于CMX-RTOS嵌入式实时操作系统的智能电动执行机构硬件结构示意图。

图2是本发明所涉基于CMX-RTOS嵌入式实时操作系统的智能电动执行机构的CMX-RTOS嵌入式实时操作系统结构示意图。

图3是本发明所涉基于CMX-RTOS嵌入式实时操作系统的智能电动执行机构软件结构示意图。

图4是本发明所涉基于CMX-RTOS嵌入式实时操作系统的智能电动执行机构任务状态变迁示意图。

图5是本发明所涉基于CMX-RTOS嵌入式实时操作系统的智能电动执行机构任务调度切换示意图。

【具体实施方式】：

实施例1：

本发明提供的基于CMX-RTOS嵌入式实时操作系统的电动执行机构控制方法，包括：

第一、确定电动执行机构的任务：针对电动执行机构各个部分功能采用了模块化设计思想，为此划分为：信号采集处理任务、红外通信任务(UART1)、与PROFIBUS-DP接口板通信任务(UART2)、键盘处理任务、LCD液晶显示任务共五个任务；

第二、各任务的优先级设置：根据各个任务的实时性要求以及对系统安全性影响的大小决定各任务的优先级；

第三、比较就绪任务和当前运行任务的优先级高低；

本发明为了保证系统的高稳定性，系统采用静态优先权，即运行过程中任务优先权不变。

实施例2：

本发明方法所涉及的基于CMX-RTOS嵌入式实时操作系统的智能电动执行机构，采用Microchip公司的高性能数字信号控制器dsPIC6014A作为中央处理器，整个装置由位置检测电路、中央数据处理电路、电机驱动电路和PROFIBUS-DP总线接口电路组成。(硬件结构示意图如图1)

一种基于CMX-RTOS嵌入式实时操作系统的智能电动执行机构，其特征在于CMX-RTOS嵌入式实时操作系统包含三个部分：用户应用程序(API)、系统内核程序、系统软硬件接口程序。用户应用程序(API)主要以任务的形式实现系统应用功能。系统内核程序主要完成CMX-RTOS系统运行管理。系统软硬件接口程序完成CMX-RTOS系统对CPU资源使用与管理。要实现将CMX-RTOS嵌入式实时操作系统在dsPIC6014A主控制器的移植，主要完成系统软硬件接口程序改写，即完成CMX-RTOS嵌入式实时操作系统对dsPIC6014A微处理器的寄存器读取，以及硬件的中断管理等工作。(CMX-RTOS嵌入式实时操作系统结构示意图如图2)

一种基于CMX-RTOS嵌入式实时操作系统的智能电动执行机构，其特征在于系统的硬件设计平台，以及根据系统功能要求，设定五个任务：信号采集处理任务、红外通信任务、PROFIBUS-DP接口板通信任务、键盘处理任务、LCD液晶显示任务，由CMX-RTOS实时系统内核实现对任务的调度和管理。由于CMX-RTOS嵌入式实时操作系统采用基于优先级的可抢占式调度算法，根据任务的优先级确定任务的执行先后顺序。当就绪任务的优先级高于当前运行任务，则由CMX-Scheduler实时系统内核实现任务调度切换，从而保证关键任务被及时处理，保证系统实时性。(软件结构示意图如图3)

一种基于CMX-RTOS嵌入式实时操作系统的智能电动执行机构，其特征在于任务要参与资源竞争，只有在所需资源都得到满足的情况下才能得到执行。因此，任务拥有的资源情况是不断变化的，导致任务状态也表现出不断变化的特性。概括为以下三种基本的状态：

等待(waiting)任务在等待某个事件的发生；

就绪(ready)任务等待获得处理器资源；

执行(running)任务获得处理器资源，所包含的代码资源内容正在被执行。

在一定条件下，任务会在不同的状态之间进行转换，称为任务状态的变迁。(任务状态变迁示意图如图4)

一种基于CMX-RTOS嵌入式实时操作系统的智能电动执行机构，其特征在于为了保证实时需要，常常要打断现在正在执行的任务，转而执行处于就绪状态且优先级最高的任务或者中断，此过程称为任务切换。所谓任务切换是指多任务内核决定运行另外任务时，保存正在运行任务的当前状态，将当前运行任务状态入栈后，把下一个将要运行的任务状态从该任务的栈中装到CPU寄存器中，并开始下一个任务的运行。任务1执行一段时间后，由于某种原因，需要进行任务切换，进入实时内核的调度程序，调度程序首先把当前的上下文内容保存到任务1的任务控制块TCB1中，然后又把任务2的上下文从TCB2中恢复到CPU寄存器中，随后任务2得到执行。(任务调度切换示意图5)

Claims

1.一种基于CMX-RTOS嵌入式实时操作系统的电动执行机构控制方法，其特征在于该控制方法包括：

第一、确定电动执行机构的任务：包括信号采集处理任务、红外通信任务、与PROFIBUS-DP接口板通信任务、键盘处理任务、LCD液晶显示任务；

第三、比较就绪任务和当前运行任务的优先级高低；

2.根据权利要求1所说的控制方法，其特征在于上述所说的信号采集处理任务由定时数据采集、数字滤波、数据转换子程序构成；完成上述任务的硬件电路采用的是导电塑料精密旋转电位器检测阀门所处开度位置，对输入的电压电流信号进行调理、放大及滤波，由Microchip公司的数字信号控制器dsPIC6014A中的12位A/D转换模块处理位置信号。

3.根据权利要求1所说的控制方法，其特征在于上述所说的红外通信处理任务包括接收、发送、校验子程序；完成上述任务的红外通信接口电路由MCP2122编解码芯片和TFDU4100的红外收发芯片组成，MCP2122与主控制器dsPIC6014A通过异步串行通信方式实现通讯数据传输。

4.根据权利要求1所说的控制方法，其特征在于上述所说的PROFIBUS-DP接口板通信任务，利用异步串行通信方式实现主控制器dsPIC6014A与PROFIBUS-DP接口板之间的总线数据传输，实现电动执行机构的总线化功能；该任务包括接收、发送、校验、报错子程序。

5.根据权利要求1所说的控制方法，其特征在于上述所说的键盘处理任务，通过按键电路实现电动执行机构参数设定和手自动切换功能。

6.根据权利要求1所说的控制方法，其特征在于上述所说的LCD液晶显示任务，包括显示数据格式转换和通讯子程序；完成上述任务的硬件选用28×64点阵式LCM液晶显示模块，其中内嵌了带有片上RAM的液晶控制器，它与主控制器dsPIC6014A之间通过I²C总线方式工作。