基于FreeRTOS+ARM架構(gòu)的遙控控制器設計

劉林華, 張予祥

(上海船舶運輸科學研究所 艦船自動化系統(tǒng)事業(yè)部,上海 200135)

0 引 言

隨著計算機技術和微電子技術的不斷發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術得到廣泛應用,各種性能優(yōu)良的微控制器(STM32系列MCU和LPC系列MCU)逐漸出現(xiàn)。此外，隨著主機遙控系統(tǒng)的自動化水平和各控制設備的網(wǎng)絡化、智能化程度不斷提高，傳統(tǒng)意義上的單片機已不能滿足遙控控制器的性能要求。相對于電子技術的快速發(fā)展，主推進裝置技術的發(fā)展相對緩慢，但不同船舶主推進裝置的配置有所不同(主機調(diào)速器不同、是否需接/脫排控制等)，造成系統(tǒng)開發(fā)各不相同，嚴重影響著主機遙控系統(tǒng)開發(fā)的周期和產(chǎn)品的質(zhì)量。

傳統(tǒng)的開發(fā)方法是不采用任何操作系統(tǒng)，僅采用主循環(huán)和中斷模式開發(fā)，這類系統(tǒng)一般控制對象比較單一，控制過程比較簡單，采用操作系統(tǒng)反而會影響效率。隨著MCU硬件資源越來越豐富，程序功能越來越多樣，引入FreeRTOS嵌入式實時操作系統(tǒng)不僅能更有效、更合理地利用現(xiàn)有的中央處理器(Central Processing Unit,CPU)資源，而且能簡化應用軟件的設計，縮短應用的開發(fā)周期，保證系統(tǒng)的可靠性和實時性。

基于上述情況，本文采用LW_OOPC面向?qū)ο蟮脑O計方法，抽象并提煉出控制對象的基本屬性和行為，設計出一套基于FreeRTOS+ARM架構(gòu)的遙控控制器，增強軟件代碼的復用性，縮短系統(tǒng)開發(fā)的周期，提升產(chǎn)品的質(zhì)量。

1 遙控控制器的功能

船用主機遙控是指在駕駛室或集中控制室內(nèi)對主推進設備進行遠距離操縱，是船舶機艙自動化體系的一個重要組成部分?？煽康拇弥鳈C遙控系統(tǒng)可極大地改善輪機員的工作條件，提高主機運行的可靠性和經(jīng)濟性，以及船舶航行的安全性。船用主機遙控系統(tǒng)涉及的控制內(nèi)容較多，不同的控制等級和主推進設備配置造成不同主機遙控系統(tǒng)的控制功能迥異。

遙控控制器作為主機遙控系統(tǒng)的核心部件，主要負責控制邏輯運算、控制策略實現(xiàn)和控制輸出等。表1為主機遙控控制器的基本功能，在具體實現(xiàn)時,根據(jù)主推進設備的配置和規(guī)范要求的控制等級對這些功能進行刪減。

表1 主機遙控控制器的基本功能

本文以某型船為原型設計遙控控制器，基本要求如下：

1) 主推進裝置配置為主機、齒輪箱和調(diào)距槳；

2) 調(diào)速器為電子調(diào)速器，具有后備控制功能；

3) 控制位置為駕駛室、集中控制室和機旁;

4) 需實現(xiàn)表1中給出的接/脫排控制以外的所有控制功能。

2 硬件設計

為實現(xiàn)遙控控制器控制功能，采用ST公司的STM32f107作為主控芯片。STM32f107是STM32互聯(lián)型系列微控制器中的一款性能較優(yōu)的產(chǎn)品，采用32位ARM Cotex-M3內(nèi)核，72 MHz運行頻率，具有快速可嵌套中斷，同時集成有各種高性能工業(yè)標準接口和外設(2個12高速AD、2個12位DA、2個I2C接口、3個SPI接口和8個定時器等)，滿足遙控控制器實時控制性能要求。遙控控制器由控制核心板、母線板和控制擴展板組成，其中:母線板為控制核心板和控制擴展板提供物理連接;控制擴展板提供擴展IO接口，對外采用D型插頭連接，提升控制器的可靠性和環(huán)境適應性。遙控控制器核心板硬件原理圖見圖1，該控制器可提供4路頻率信號采集通道、8路模擬量輸入信號采集通道、4路4～20 mA電流輸出通道、24路開關量采集通道、4路CAN總線通道和2路兩線RS485總線通道。

圖1 遙控控制器核心板硬件原理圖

3 軟件設計

軟件設計主要分為3部分：

1) 在STM32f107上實現(xiàn)FreeRTOS的移植；

2) 分析控制對象的屬性和行為，利用LW_OOPC宏技術對各控制對象類進行設計；

3) 在嵌入式實時系統(tǒng)FreeRTOS中對各任務功能進行組織劃分設計，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

3.1 FreeRTOS移植

FreeRTOS作為一款輕量級操作系統(tǒng)，提供有任務管理、時間管理、信號量管理、消息隊列和內(nèi)存管理等功能，具有源碼公開、可裁減、可移植和調(diào)度策略靈活等特點。該移植主要針對STM32f107系列芯片，采用的編譯軟件是keil4。移植的主要內(nèi)容集中在portmacro.h和port.c 2個文件中,其中:portmacro.h文件包含與編譯器相關的數(shù)據(jù)類型的定義、堆棧的增長方向、時鐘節(jié)拍的定義、相關的宏定義和函數(shù)聲明；port.c文件包含移植的相關函數(shù)和匯編函數(shù)，主要包括堆棧的初始化函數(shù)、系統(tǒng)心跳管理函數(shù)、任務調(diào)度器的啟動函數(shù)、任務切換函數(shù)、臨界區(qū)的進入與退出函數(shù)和中斷設置函數(shù)等。

3.2 控制對象分析

在面向?qū)ο蟮乃季S下，軟件由一群有智慧、善傳遞信息的對象組成。遙控控制器的控制對象是主機(含調(diào)速器)和調(diào)距槳，并與安保控制器進行信息交互，需抽象出以下類,并分析其屬性和行為(見表2)。LW_OOPC的本質(zhì)是運用C語言宏技巧，巧妙地利用函數(shù)指針和struct結(jié)構(gòu)實現(xiàn)面向?qū)ο蟮幕炯夹g。利用LW_OOPC宏技術進行系統(tǒng)分析設計,可使UML模型與C程序緊密對應，進而提高C程序的質(zhì)量。

表2 遙控控制器控制對象

圖2 遙控控制器程序任務關系

3.3 軟件任務設計

遙控控制器采用FreeRTOS嵌入式實時操作系統(tǒng)架構(gòu)設計開發(fā)。為保證應用軟件多任務處理的實時性和可靠性，需合理地將程序的各功能模塊劃分為不同任務，同時使用FreeRTOS消息隊列和互斥信號量機制設計各任務間的通信接口,實現(xiàn)任務間的通信。遙控控制器程序任務關系和任務分配分別見圖2和表3。

表3 遙控控制器程序任務分配

主程序任務作為控制程序的核心，接收輸入處理任務處理的操作指令和設備狀態(tài)參數(shù)，經(jīng)過內(nèi)部邏輯運算和優(yōu)化處理，由輸出任務輸出指令對各設備進行控制。為合理組織主程序任務程序結(jié)構(gòu)，保證主機、調(diào)距槳和安保控制器對象有序運行，設計出controller對象對各對象進行協(xié)調(diào)指揮，以構(gòu)成層級式控制架構(gòu)。controller類根據(jù)操作人員的指令和設備的運行狀態(tài)向各對象發(fā)出指令信號。

4 軟件實現(xiàn)

下面對遙控控制器程序中主程序任務的設計與實現(xiàn)進行討論。通過UML類圖設計、接口分析和狀態(tài)機分析等技術對各類實現(xiàn)功能和接口進行分析實現(xiàn)，并利用cotroller類進行組裝運行。輸入輸出任務和CAN通信任務等仍采用面向過程的結(jié)構(gòu)化程序設計，這里不作展開分析。

4.1 控制對象類圖和接口

賦予對象人性是面向?qū)ο蟮年P鍵步驟。軟件由一群有智慧、善傳遞信息的對象組成，這些對象擔負著主動提供服務的責任，支持整個軟件系統(tǒng)的功能。一旦開發(fā)人員分析出對象的屬性和行為并確定類，即可根據(jù)類生成軟件對象。遙控控制器程序需實現(xiàn)的類見圖3。

圖3 遙控控制器程序需實現(xiàn)的類

在控制軟件運行過程中，各對象會在不同狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移。例如,主機可分為停機、啟動過程、運行和停機過程等4個狀態(tài)(見圖4)。采用State模式設計，將每個條件分支放入一個獨立的類中(見圖5)，由此可根據(jù)對象自身的情況將對象的狀態(tài)作為一個對象，且該對象可不依賴其他對象獨立變化，提高系統(tǒng)設計的彈性。

圖4 主機狀態(tài)圖

圖5 主機狀態(tài)類圖

“信息傳遞”作為對象之間互相溝通的管道，在本質(zhì)上是通過函數(shù)調(diào)用實現(xiàn)的，只是函數(shù)是被對象封裝起來的。當對象A傳遞信息給對象B時，意味著對象A中的某個函數(shù)調(diào)用對象B中的某個或多個函數(shù)，具體調(diào)用對象B中的哪些函數(shù)，由對象B根據(jù)實現(xiàn)功能內(nèi)部判定。以controller、engine和governor對象為例分析對象間的“信息傳遞”見圖6。

圖6 controller、engine和governor對象間的“信息傳遞”

4.2 主任務實現(xiàn)

主程序任務是控制器軟件的核心，實現(xiàn)對各控制對象控制功能的邏輯運算。采用LW_OOPC宏技術對類進行封裝，使主程序代碼更簡潔，邏輯更清晰(見圖7)。各類在不同的頭文件和C文件中實現(xiàn)，功能的變更僅需通過更改各類的子函數(shù)來實現(xiàn)，涉及面小，更易維護。

圖7 主程序任務代碼

5 結(jié) 語

本文采用LW_OOPC面向?qū)ο蟮木幊趟悸?基于FreeRTOS+ARM架構(gòu)設計出一套船舶主機遙控的遙控控制器。該遙控控制器已在某學校定制的主機遙控系統(tǒng)培訓系統(tǒng)中得到實踐運用，運行狀態(tài)穩(wěn)定。對于后續(xù)的系統(tǒng)開發(fā)而言,可有針對性地設計實現(xiàn)控制對象類，提高軟件的復用性和可靠性。本文在LW_OOPC框架的基礎上對實現(xiàn)該遙控控制軟件的封裝進行了初步探索，下一步將利用面向?qū)ο蟮木幊坛Ｓ玫脑O計方法對控制軟件進行深化和改良。