嵌入式整流模块控制器设计

0引言
      虽然目前通信电源产品中嵌入式控制系统的研发技术比较成熟，但是同一系列(如DUM系列)不同功率型号的产品具有不同的性能参数，以致控制系统采用不同的控制方法；同时，在以往的产品研发过程中，不同的嵌入式系统工程师具有不同的软硬件设计思想，带来了芯片应用、电路体系、软件结构的差异。这两方面问题造成产品的统一管理、统一维护与升级困难，成本提高。
      针对上述嵌入式控制系统兼容性和扩展性考虑不周的问题，结合8位AVR单片机的资源优势以及源代码开放的μC/OS-II实时操作系统内核的强健性和移植性，本文提出了嵌入式控制系统中基于AVR+μC/OS-II的整流模块控制器设计方法。利用AVR资源丰富、运行速度快、编程灵活、调试方便的特点来满足该控制器的功能与可靠性要求。采用C语言和汇编语言相结合的方法，将μC/OS-II实时操作系统移植入AVR，在保证系统性能的同时，将软件开发统一化、规范化，缩短了产品研发周期，易于产品维护升级，降低了成本。
1组成及工作原理
      DUM系列通信电源的嵌入式控制系统由主控制器、整流模块控制器(简称“模块控制器”)等组成。主控制器是中央处理子系统。模块控制器是联结主控制器与整流模块(简称“模块”)之间的数据通信、信号采集与指令控制的子系统，其功能由硬件和软件两部分协调完成。硬件上不同功率型号通信电源产品的模块控制器架构完全一致；软件上使用μC/OS-II完成数据处理及任务调度。具体的工作原理是：AVR依次采集并转换模块的状态信号，检测在位和模块告警信号，以此构造状态帧，通过RS485串行总线发送到主控制器，同时接收并解析主控制器发来的模块调压、限流和开关机控制信号帧，最后向模块发送和执行这些控制信号。下面结合图1，具体说明主控部分的特点，其余部分详见文献[1]。
主控部分MCU芯片采用ATMEL公司的ATmega16L。它具有如下特点[2]：
(1) 丰富片内资源：片内配置16KB Flash ROM、512B EEPROM、1KB RAM，8通道10-bit ADC，16-bit Counter/Timer(可作PWM通道)，有USART、SPI等接口。为μC/OS-II提供充足的程序空间；丰富的片内外设减少了AVR外围电路，使控制器组态简单，稳定可靠。
(2) 高速、低辐射、低功耗：采用8-bit增强的RISC结构和Harvard结构，具有1MIPS/MHz性能，晶振频率低(最大工作频率为8MHz)。
(3) 强大的C语言支持能力：结合1KB片内RAM、硬件乘法器，以及优秀的C编译器，有助于生成快速、高效代码。为μC/OS-II的运行提供充足的堆栈空间，程序可读性和兼容性得到保证。
(4) 支持JTAG在线下载调试，从而缩短开发周期，降低产品成本。
2软件设计
模块控制器的软件设计步骤为：第一，将所实现的功能划分成若干用户任务；第二，以μC/OS-II为操作系统，将它移植入ATmega16L并进行配置；第三，编写用户任务和中断程序；第四，在系统上编译、调试程序。
2.1 μC/OS-II的移植和配置
      μC/OS-II是一个实时性强的操作系统内核，其软硬件体系结构如图2所示。应用程序处于顶层，每个任务都可以独占处理器，因此设计成无限循环。μC/OS-II处理器无关代码提供操作系统服务，应用程序可以使用这些服务函数进行创建和删除任务、任务间通信以及内存管理等操作。μC/OS-II的大部分代码使用C语言编写，与处理器相关的实时操作使用汇编语言编写。用户可将μC/OS-II内核裁减为满足功能的最小系统。
图2  μC/OS-II的软硬件体系结构
将μC/OS-II移植入AVR，需要修改OS_CPU.H、OS_CPU_C.C和OS_CPU_A.S这三个与MCU相关的文件，并根据控制器功能需求配置μC/OS-II，即修改OS_CFG.H文件[3]。
2.2 任务功能
     将控制器的功能划分成5个用户任务，指定任务优先级，优先级的制定原则是任务的重要性和实时性。μC/OS-II最多支持64个优先级，每个任务赋予1个优先级，其中用户优先级为4～OS_LOWEST_PRIO-3。本控制器的用户优先级选择范围是4～8。各用户任务分别为：
(1) 创建用户任务的任务AppTaskStart()：初始化操作系统时钟节拍、初始化硬件、创建用户任务。这是开启多任务调度OSStart()之后第一个被执行的任务，优先级为4。
(2) 产生PWM波的任务SetPWMOutTask()：产生PWM调压、限流波输出值，优先级为5。
(3) 处理模块在位和告警信号的任务GetWarnStatusTask()：采集模块的在位信号和告警信号，优先级为6。
(4) 模块状态采集的任务RctMeasureTask()：片内ADC采集并量化模块电流状态信号，优先级为7。
(5) 处理模块开关机的任务PowProcessTask()：解析并向模块执行主控制器发来的开关机信令，优先级为8。
这里以创建用户任务的任务为例，介绍用户任务程序编写方法。其主要代码如下：
static void AppTaskStart(void *pdata)
{
(void)pdata;        // 防止编译器告警
OSTickISR_Init();   // 初始化操作系统时钟节拍
AppIOInit();         // 硬件初始化
AppTaskCreate();       // 创建用户任务
while (1)           // 任务体(无限循环体)
{
OSTimeDly(10);    // 本任务延时100ms，同时让下一个最高优先级的就绪态任务执行
}
}
2.3 中断程序
      时钟节拍中断：操作系统通过时钟节拍来实现计时以及延时操作，AVR工作频率为8MHz，取一个时钟节拍为10ms。必须创建一个用户任务并开启多任务调度OSStart()之后才能开启时钟节拍中断，否则系统可能崩溃。
      USART接收完成中断：接收并解析主控制器发来的命令数据帧。USART发送完成中断：构造模块状态信息帧，发送到主控制器。这2个中断通过全局变量与用户任务通信。
2.4 兼容与扩展
      如果本控制器的某个功能需要改进，则直接修改相应的任务函数即可；如果要为本控制器添加新功能，则直接创建新任务，赋予优先级，在新任务函数中加入新功能的源代码即可。这就为系统软件的维护与升级提供了方便快捷的途径。
      本控制器采用统一的数据结构，采用统一的适用于不同型号模块的控制处理过程。另外，按照通信协议，本控制器向主控制器发送请求模块配置帧，然后接收主控制器发回的配置信息来配置被控模块参数。
3结论
      本文结合AVR单片机和μC/OS-II实时操作系统的优点，设计出基于AVR+μC/OS-II的嵌入式模块控制器，它具有软硬件设计的兼容性强和易于扩展等突出特点，为DUM系列不同功率型号通信电源产品的开发、维护和升级节省了时间和费用。自2005年6月至今试用于DUM48-15B、25D、30D等通信电源产品中，其性能稳定，采样精度高，告警、控制准确度100%，通信误码率低，取得了很好的应用效果。
参考文献：
[1]       张屿, 毛征, 刘瑞东. 基于AVR单片机的整流模块控制器设计与实现. 中国电子学会第十一届青年学术年会论文集, 2005.
[2]       Atmel Corporation. ATmega16(L) Datasheet.
[3]       Jean J. Labrosse 著, 邵贝贝 等 译. 嵌入式实时操作系统μC/OS-II (第2版). 北京: 北京航空航天大学出版社, 2003.
张屿：硕士，研究方向为嵌入式系统。