基于μC/OS—II水下異物打撈操作機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

曾源　李振卿

摘 要：核電站大修過程中水池區(qū)域可能會(huì)出現(xiàn)一些需要打撈的異物。針對(duì)異物打撈，該文提出了一種基于?C/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)的核用水下異物打撈操作機(jī)的設(shè)計(jì)方法。硬件上將各功能節(jié)點(diǎn)模塊化，采用RS485總線通訊方式，便于系統(tǒng)擴(kuò)展及維護(hù)；軟件上將?C/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)移植于微處理器中，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)增強(qiáng)了系統(tǒng)的冗余性。現(xiàn)場(chǎng)水下試驗(yàn)證明，該打撈操作機(jī)具有較強(qiáng)的可靠性，同時(shí)也驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：水下機(jī)器人；通訊總線；嵌入式操作系統(tǒng)；異物打撈；微處理器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.247

1 引言

核電站在大修期間的工作過程中水池里可能有一些異物需要打撈，這些區(qū)域通常是人員無(wú)法到達(dá)的并且可能具有放射性。為此，電站有必要開發(fā)具有多自由度的操作機(jī)和智能系統(tǒng)應(yīng)用于反應(yīng)堆堆芯及構(gòu)件水池等水下環(huán)境中精確打撈。

本文所論述的水下異物打撈操作機(jī)應(yīng)用于核電站日常運(yùn)行或停堆換料大修期間，乏燃料水池、傳輸池、構(gòu)件池及堆芯水池滿水情況下，對(duì)一些特殊位置進(jìn)行視頻檢測(cè)及異物打撈，以消除異物對(duì)電站可能造成的影響，具有重量輕、可靠性高、操作靈活等特點(diǎn)。

2 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，控制系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜?？刂茟?yīng)用系統(tǒng)已從單機(jī)逐漸向多機(jī)聯(lián)網(wǎng)的方向發(fā)展，這就需要單機(jī)之間或單機(jī)與微機(jī)之間組成網(wǎng)絡(luò)以進(jìn)行相互通信?，F(xiàn)有的各種通訊網(wǎng)絡(luò)總線產(chǎn)品，由于其兼容性差、造價(jià)高、維護(hù)不便等方面的原因，未能得到普遍應(yīng)用。

RS485總線作為一種簡(jiǎn)易、廉價(jià)的通信技術(shù)，其收發(fā)器采用平衡驅(qū)動(dòng)和差分接收，具有抑制共模干擾的能力?？偩€上允許帶多個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器，最新的收發(fā)器可帶128個(gè)節(jié)點(diǎn)，用于構(gòu)建多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)。由于RS485總線具有設(shè)備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、能進(jìn)行長(zhǎng)距離通信的特點(diǎn)，故在工程中得到了廣泛應(yīng)用[1]。

本系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS），網(wǎng)絡(luò)物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用總線型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在這種結(jié)構(gòu)中，所有節(jié)點(diǎn)連接到一條總線上，每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)可以同時(shí)被所有節(jié)點(diǎn)接收，但是每個(gè)節(jié)點(diǎn)只接收本節(jié)點(diǎn)目的地址的數(shù)據(jù)，所以每次只允許一臺(tái)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)可大可小，易于擴(kuò)展，是目前廣泛應(yīng)用的一種形式。

通過對(duì)分布式系統(tǒng)中不同節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功能層次劃分，即得到了分層式體系結(jié)構(gòu)，如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)能很好的解決智能和控制精度的關(guān)系，但在靈活性、實(shí)時(shí)性和適應(yīng)性方面存在缺陷。

該體系結(jié)構(gòu)包括運(yùn)動(dòng)規(guī)劃決策層、任務(wù)層和執(zhí)行子模塊三個(gè)層次。運(yùn)動(dòng)規(guī)劃決策層完成一些高層的規(guī)劃決策以及傳遞給用戶必要的信息并接受用戶的指令；任務(wù)層即協(xié)調(diào)層，包括對(duì)用戶指令的解析以及一些可以不在上層控制下自主執(zhí)行的行為，比如避碰、低電壓保護(hù)、限位、預(yù)定動(dòng)作等?？刂谱幽K即執(zhí)行控制層，則是把用戶指令轉(zhuǎn)化為實(shí)際功能執(zhí)行動(dòng)作，或者用自動(dòng)控制理論和方法高速地控制執(zhí)行器的運(yùn)作。

圖3為總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，其中控制機(jī)箱作為運(yùn)動(dòng)規(guī)劃層，負(fù)責(zé)完成用戶指令的讀取、圖像的采集壓縮存儲(chǔ)等；各通訊控制卡作為協(xié)調(diào)層，負(fù)責(zé)完成對(duì)規(guī)劃層命令的解析、一些保護(hù)動(dòng)作的自主執(zhí)行以及各功能模塊間的信息通信；驅(qū)動(dòng)模塊作為執(zhí)行層，負(fù)責(zé)完成對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制以及過流、過熱等自我保護(hù)反饋的執(zhí)行[2]。

3 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)過程中，發(fā)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)在接口以及功能特點(diǎn)上具有一定的相似性，節(jié)點(diǎn)控制器可以設(shè)計(jì)成一塊通用的控制卡來(lái)完成各項(xiàng)功能，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)模塊化，同時(shí)具有方便擴(kuò)展、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

3.1 控制器的選取

控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部件，直接影響到控制系統(tǒng)的功能和性能。因此，合理選用控制系統(tǒng)的核心控制器，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

根據(jù)各節(jié)點(diǎn)功能的要求，須要求控制器具備串口、PWM口、SPI口、多個(gè)I/O口、AD等常用接口。故此，選擇了TI公司推出的MSP430F149作為主處理器，這是一類具有16位總線帶Flash的單片機(jī)，由于其性價(jià)比和集成度高，受到了廣大技術(shù)開發(fā)人員的青睞。該控制器可以在超低功耗模式下工作，可靠性能好，加強(qiáng)電干擾運(yùn)行不受影響，適應(yīng)工業(yè)級(jí)的運(yùn)行環(huán)境[3]。

3.2 視頻差分傳輸電路的設(shè)計(jì)

作為一類主要依據(jù)視頻圖像完成現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的機(jī)器人來(lái)說，視頻圖像的質(zhì)量直接影響到了現(xiàn)場(chǎng)操作的準(zhǔn)確性。視頻信號(hào)在傳輸過程中對(duì)各種干擾信號(hào)非常敏感，又需要長(zhǎng)距離傳輸，并且現(xiàn)場(chǎng)有多類大型設(shè)備運(yùn)行，此處考慮采用雙絞線方式傳輸視頻信號(hào)。

能夠用于視頻信號(hào)傳輸系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)雙絞線的電路有多種形式，可以采用分立元件，也可以采用運(yùn)算放大器，且有多種運(yùn)算放大器可以完成單端信號(hào)到差分信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

Intersil公司的EL5171是一款250MHz低功耗集成差分寬帶放大器，輸入信號(hào)是單端而輸出信號(hào)始終是差分形式，因而主要用于視頻傳輸應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)雙絞線。其發(fā)送原理圖如圖4所示。

EL5171內(nèi)部的IN-與REF連接在一起成為REF腳，REF腳的信號(hào)為共模信號(hào)的一部分，也是差模信號(hào)的一部分。為了達(dá)到真正的平衡差分輸出，REF腳必須與IN+有相同的偏置電平。對(duì)5V供電，由于IN+腳使用一個(gè)R3=75Ω的終端電阻被偏置為0V，故REF腳也應(yīng)下拉接地。

視頻信號(hào)在雙絞線中傳輸時(shí)，由于電阻損耗、介質(zhì)損耗及輻射損耗，信號(hào)功率從進(jìn)入傳輸線傳送到負(fù)載時(shí)會(huì)衰減掉一些，且衰減量的大小與傳輸距離和信號(hào)頻率有關(guān)，傳輸距離越遠(yuǎn)，信號(hào)頻率越高衰減越大。經(jīng)過一定距離的傳輸視頻圖像就會(huì)變得不清晰，尤其是高頻部分，表現(xiàn)為圖像的邊緣處模糊不清，整體亮度偏暗。因此在發(fā)射端必須設(shè)置一定的增益，在接收端進(jìn)行頻率加權(quán)補(bǔ)償，即頻率越低增益越低，頻率越高增益越高，對(duì)不同頻率呈現(xiàn)不同的傳輸特性。R1、R2、C2、C3、R15、R16的作用就是設(shè)定放大器的基本增益。endprint

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件是整個(gè)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)之一，系統(tǒng)軟件的質(zhì)量直接關(guān)系到系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的軟件控制系統(tǒng)大多采用一個(gè)前后臺(tái)系統(tǒng)，軟件結(jié)構(gòu)采用單任務(wù)的順序機(jī)制，即應(yīng)用程序是一個(gè)無(wú)限循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)來(lái)完成對(duì)應(yīng)的操作，而與時(shí)間相關(guān)性較強(qiáng)的事件靠定時(shí)中斷來(lái)保證。這種方式編程較為直觀，但當(dāng)系統(tǒng)功能較為復(fù)雜時(shí)，這種單任務(wù)機(jī)制很難保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與可靠性。

基于此問題，針對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能的復(fù)雜性，本文將實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)?C/OS-II應(yīng)用于系統(tǒng)的軟件編程，通過將系統(tǒng)功能細(xì)化為幾個(gè)核心任務(wù)，由?C/OS-II實(shí)時(shí)內(nèi)核進(jìn)行調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)的并行運(yùn)行，大大地提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。同時(shí)在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，采用了一種模塊程序設(shè)計(jì)法，即把整個(gè)程序過程分成若干個(gè)部分、封裝成獨(dú)立的函數(shù)模塊，這樣易編寫調(diào)試，并且一個(gè)模塊可被多個(gè)任務(wù)在不同條件下調(diào)用。

4.1 ?C/OS-II在MSP430上的移植

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)?C/OS-II是基于優(yōu)先級(jí)的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，包含了實(shí)時(shí)內(nèi)核、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)通信同步（信號(hào)量，郵箱，消息隊(duì)列）和內(nèi)存管理等功能[4]。絕大部分代碼用C語(yǔ)言寫成，與硬件相關(guān)部分用匯編語(yǔ)言編寫，而且它的源代碼是公開免費(fèi)的。它是面向中小型嵌入式系統(tǒng)的，包含全部功能模塊的內(nèi)核大約為10K，如果經(jīng)過裁減只保留核心代碼，則可壓縮到3K左右。

?C/OS-II是針對(duì)嵌入式系統(tǒng)編寫的，移植起來(lái)十分方便，只需改動(dòng)部分與硬件相關(guān)的代碼即可。?C/OS-II的體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。

?C/OS-II的移植主要集中在三個(gè)文件：OS_CPU.H、OS_CPU_C.C和OS_CPU.ASM。

（1）OS_CPU.H文件的修改：定義數(shù)據(jù)類型為?C/OS-II系統(tǒng)可用類型；定義開關(guān)中斷兩個(gè)宏為處理器相應(yīng)得開關(guān)中斷函數(shù)；設(shè)置堆棧增長(zhǎng)方向與處理器相一致；任務(wù)級(jí)任務(wù)切換函數(shù)OS_TASK_SW（）的定義； （2）OS_CPU_C.C文件的修改：聲明10個(gè)C函數(shù)，除堆棧初始化函數(shù)*OSTaskStkInit（）外，其余函數(shù)只需聲明不必包含代碼； （3）OS_CPU.ASM文件的修改：最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)開始函數(shù)OSStartHighRdy（）的編寫；任務(wù)級(jí)任務(wù)切換函數(shù)OSCtxSw（）的編寫；中斷級(jí)任務(wù)切換函數(shù)OSIntCtxSw（）的編寫；時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)程序的編寫，根據(jù)實(shí)際編寫一般定時(shí)器或看門狗定時(shí)器設(shè)置的時(shí)鐘節(jié)拍。

4.2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

軟件是在IAR公司的Embedded Workbench下開發(fā)的，它提供了方便且功能豐富的界面，使開發(fā)和調(diào)試的效率大大提高。我們采用它作為開發(fā)平臺(tái)，用C語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件。根據(jù)系統(tǒng)的性能指標(biāo)和技術(shù)要求，將應(yīng)用程序劃分為以下幾個(gè)任務(wù)塊：

（1）與上位通訊任務(wù)：采用通用的RS485的通訊方式，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)間的控制及傳感器信息的傳遞； （2）各傳感器信息采集任務(wù)：主要對(duì)操作機(jī)本體上各傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)采集處理，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)操作機(jī)位姿及運(yùn)動(dòng)的控制； （3）車體運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)：實(shí)現(xiàn)對(duì)操作機(jī)速度、位置的控制；（4）云臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)：實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像機(jī)二維云臺(tái)速度、位置的控制；（5）機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)：實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手大臂、小臂、旋轉(zhuǎn)、手指多自由度運(yùn)動(dòng)的控制，

通過劃分任務(wù)，制定各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的調(diào)度過程，即各任務(wù)運(yùn)行狀態(tài)的切換、任務(wù)之間的通訊實(shí)現(xiàn)以及各任務(wù)相互配合以完成系統(tǒng)功能。

5 結(jié)論

該設(shè)計(jì)方法，為多功能、復(fù)雜系統(tǒng)提供了一種新的解決方案。硬件上采用總線方式通信、模塊化設(shè)計(jì)，減少了系統(tǒng)配線，提高了可靠性，易于系統(tǒng)的維護(hù)及功能擴(kuò)展[5]；軟件上采用嵌入式操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)的并行運(yùn)行，大大地提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。據(jù)此方法投產(chǎn)的核用水下異物打撈操作機(jī)已成功應(yīng)用于核電站，設(shè)備運(yùn)行情況良好，滿足實(shí)際工況需要，縮短了關(guān)鍵路徑的時(shí)間，節(jié)約成本，為大修服務(wù)人員提供了便利，也為核電站的安全運(yùn)行提供了保障。

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作者簡(jiǎn)介：曾源，男，湖南人，工程師，本科，主要從事：換料設(shè)備維修。endprint