嵌入式实时操作系统在浮选液位控制器开发中的应用.pdf

第6 2 卷第3 期有 色 金属 矿山部分2 0 1 0 年5 月 嵌入式实时操作系统在浮选液位控制器 开发中的应用 赵宇，陆博，周俊武，徐宁 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 摘要选矿工艺过程中的浮选机液位是非常重要的检测参数，本文通过介绍基于嵌入式实时系统的工业浮 选液位控制器的设计流程，结合A R M 7 体系结构和p C ／O S H 嵌入式操作实时系统的主要特点，说明了嵌入式实时 系统必将成为未来智能仪器仪表开发的主流与趋势。 关键词浮选设备；液位控制；嵌入式操作系统 中图分类号T D 6 3文献标识码A 文章编号1 6 7 1 4 1 7 2 2 0 1 0 0 3 0 0 6 5 0 4 A p p l i c a t i o no fE m b e d d e dR e a l - T i m eS y s t e mi nD e v e l o p m e n tw i t h F l o a t a t i o nL e v e lC o n t r o l e r Z H A OY u ，L UB o ，Z H O UJ u n w u ，X UN i n g B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n g M e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a A b s t r a c t T h ef l o a t a t i o nl e v e li sav e r yi m p o r tp a r a m e t e rt ob em e a s u r e di nt h ep r o c e s so ff l o t a t i o n ．B yi n t r o d u c i n gt h e A R M 7s y s t e ms t r u c t u r e ，t h em a j o rc h a r a c t e ro fI 山C ／O S I Ie m b e d d e ds y s t e ma n dd e s i g n i n gp r o c e s so fi n d u s t r i a l f l o a t a t i o n l e v e lc o n t r o l l e rw h i c hi sb a s e dO ne m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m s ，t h ep e r s p e c t i v e so fe m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n g s y s t e m su s e di ni n t e l l e c t u a l i z e di n d u s t r i a lm e t e ri se l a b o r a t e di nt h i sp a p e r ． K e yw o r d s f l o t a t i o ne q u i p m e n t ；l e v e lc o n t r o l ；E m b e d d e dO S 0引言1 浮选液位控制系统’A 间- A “ 介 在一些选矿工艺浮选作业过程中，浮选机矿浆 液位是直接影响浮选指标的重要参数之一。目前， 很多国内外浮选液位控制器通常是采用8 位或1 6 位单片机进行设计，这种低端电子仪器系统架构由 于受其寻址范围和数据吞吐能力的限制而使其在日 益复杂的智能化、网络化的仪器仪表设计中显得力 不从心，采用高端嵌入式实时系统架构设计电子产 品已成为现代智能检测仪器开发的趋势和潮 流qJ 。本文介绍了A T M E L 公司A R M 7 T D M I 内核 的3 2 位微处理器A T 9 1 M 5 5 8 0 0 A 的性能特点，并阐 述了基于A T 9 1M 5 5 8 0 0 A 处理器的浮选液位专用控 制器的设计原理与控制策略；介绍了基于v , C ／O S 一Ⅱ 实时操作系统平台下软件功能模块和任务划分方 法、各个任务之间的任务调度策略。 作者简介赵宇 1 9 7 9 一 ，男，工程师。 浮选机矿浆液位自动控制系统由矿浆液位测量 装置、液位控制器、气动调节阀组成，液位控制器测 量装置传人的液位值与操作人员的设定值为依据， 对液位气动调节阀进行控制，从而实现液位的自动 调节。电动调节阀控制系统由电动执行机构、锥阀、 控制部分组成，该系统为液位自动控制系统的辅助 系统，当液位自动控制系统进行维护或出现故障时， 可使用电动调节阀控制系统进行手动控制矿箱的排 矿量。浮选机液位自动控制系统结构示意图如图1 所示。 其中，液位测量装置时有激光测距仪、液位计 支架、浮球、连杆、反射盘、冲水管等部件组成将矿浆 液位测量值以4 2 0 m A 信号送到仪表箱内的控制 器，通过与输入的矿浆液位设定值进行比较由专用 的决策算法软件输出控制信号，控制气动调节阀的 动作，调节排矿量，气动调节阀包括启动执行结构、 锥阀和连杆。光电测距传感器、液位控制器和其动 万方数据 有色金属 矿山部分 第6 2 卷 矿浆 图I 液位控制系统的构成 F i g ．I T h ec o m p o s i t i o no fl e v e lc o n t r o ls y s t e m 调节阀分别实现测量机构、控制机构和执行机构的 功能，其控制模型如图2 所示。 图2 控制模型 F i g ．2 C o n t r o lm o d e l 另外，浮选液位专用控制器的工业网络化节点 功能能够保证设备融入现代化工业网络中，实现远 程的液位值显示、参数设置、报警记录查询、历史记 录查询和远程自诊断功能，同时可通过远程通讯实 现远程／就地控制切换，达到灵活运用，I Ii i 够集中 管理，又能够分散控制[ 4 。5 】。其网络总线示意图如 图3 所示。 图3 总线节点构成 F i g ．3 T h ec o m p o s i t i o no fb u sn o d e 2 基于斗C ／O S 一Ⅱ嵌入式实时操作 系统的仪器设计方案 高档的浮选液位控制装置选用A T g l M 5 5 8 0 0 A 作为主处理器，它是一块基于A R M 7 T D M I 内核的工 业级3 2 位微控制器。其具有高性能R I S C 体系结 构，高代码密度的1 6 位指令集，最高时钟频率 3 3 M H z ，单时钟周期访问的8k B 片内S R A M ，系统最 大可扩展6 4 M 存储器，主从式S P I 接口，片内具有 先进电源管理控制器，3 个U S A R T 口，6 通道1 6 位 定时／计数器，片内实时时钟、8 通道1 0 位A D C 及2 通道1 0 位D A C ，最大5 8 个通用I O 口等系统资源。 基于A R M 7 架构的浮选液位控制器选用t x C ／ O S ．Ⅱ作为软件调度平台。I x C ／O S - I I 是一种嵌入式 实时多任务操作系统，绝大部分是用A N S IC 语言编 写，少量与处理器相关的代码是用汇编语言编写。 使得t t C ／O S 一Ⅱ便于在8 位、1 6 位以及3 2 位微处理 器上移植，p 。C ／O S ．I I 是完全可剥夺型的实时内核， 即p L C ／O S 一Ⅱ总是运行就绪条件下优先级最高的任 务，I _ L C ／O S I I 最多可管理5 6 个用户应用程序任务， 每个任务都有自己单独的栈。I x C ／O S I I 能提供很 多系统服务，如任务管理、进程调度、任务间通讯及 内存管理等功能。 用于浮选液位测量的液位光电测距传感器是模 拟信号，为兼容高精度控制的需要，所以对模拟采样 精度要求较高，需采用1 2 位精度或以上的A D C 。 一路电流4 2 0 m A 变送输出由D A C 和压流转换电 路构成，用于控制就地气动调节阀的信号源。1 路 2 2 0 V 无源D O 触点输出用于浮选液位控制的远程 和就地切换功能，数字通讯电路采用M O D B U SR T U 与D C S 进行数据交互。整个仪器的系统硬件结构 如图4 所示。 { }j } l ，o 接口键盘显示接口 图4 液位控制器硬件系统原理图 F i g ．4 T h es c h e m a t i cd i a g r a mo fh a r d w a r e o fl e v e lc o n t r o l l e r 控制器的硬件系统结构组成主要包括主机系 统、输入输出电路、人机接口和通信接口4 部分。主 机电路是智能控制器的核心部分，包括基于 A R M 7 T D M I 内核的微处理器、串并行存储器和 C P L D 可编程逻辑器组成，是软件的载体，实现外设 控制和调度。人机接口包括键盘和显示器，输入输 万方数据 第3 期赵字等嵌入式实时操作系统在浮选液位控制器开发中的应用 6 7 出电路扩展需要I O 节点，包括4 2 0m A 模拟量输 入，4 ～2 0m A 模拟晾输出以及若干个干节点数字输 出等功能，通讯电路实现M o d b u s 网路节点功能。 软件上成功移植嵌入式实时O S 内核置硬件 S O C 系统内，使应用软件全部基于嵌入式实 时系统下开发，如图4 所示，软件系统由启动代 码，实时操作系统代码，芯片底层驱动子程序和用户 应用程序人口组成。合理的软件架构保证了程序良 好的可移植性和可扩展性，系统可进入就绪状态的 软件任务包括1 0m S 时间任务、串口接受任务，串口 发送任务，实时时钟任务，模块扫描任务以及秒循环 任务等‘6 | 。 软件设计工作主要包括A T 9 1M 5 5 8 0 0 A 启动代 码的编写，p 。C ／O S ．Ⅱ在A R M 7 上的移植，以及系统 任务设计等。 2 ．1 启动代码 启动程序需要完成初始化某些片内外围、存储 器以及重映射存储空间等任务，这些用c 语言难以 实现．因此启动程序需用汇编语言编写。其主要完 成的功能顺序如下1 初始化代码的区域定义和入 口点；2 设置异常向量；3 外部总线接口初始化表； 4 复位；5 加速启动代码；6 低电平初始化；7 先进 中断控制其配置；8 将异常向量拷贝到片内R A M ； 9 存储控制器初始化和重映射命令；1 0 初始化堆 栈寄存器；1 1 改变处理器模式和使能中断；1 2 初 始化软件变量和跳转到主程序。 2 ．2 2 ／o s I I 在A R M 7 上的移植 A R M 7 处理器核具有用户、系统、管理、中止、未 定义、中断和快中断7 种模式。由于管理、中止、未 定义、中断和快中断这5 个模式与异常相关，不太适 合p 。C ／O S 一1 I 任务使用。而系统模式除了是特权模 式外，其它与用户模式一样，因此斗C ／O S H 任务可 以使用的模式应该是用户模式和系统模式。 灿C ／O S 一1 I 硬f 牛／软件体系结构如图5 所示，只 需修改与处理器相关的O S C P U ．H ，O S C P U A ．S M ，O S C P U C ．C 三个文件。其中O S C P U ．H 需要编写的函数有O S E N T E R C R I T I C A L 、O S E X I T _ C R I T I C A L 、O S C R I T I C A L M E T H O D 、O S T A S KS W 。 O S ～C P U C ．C 需要修改的函数如下O S C P U C ．C 需要编写的函数有O S T a s k S t k I n i t ；O S T a s k C r e a t e H o o k ；0 S T a s k D e l H o o k ；O S T a s k S w H o o k ；O S T a s k l d l e H o o k ；O S I n i t H o o k E n d ；O S T C B l n i t F I o o k ；O S T i m e T i c k H o o k ；O S T a s k S t a r t H o o k 应用软件 用户代码 图5 基于y o S - I I 的硬件／软件体系结构图 F i g ．5 T h es t r u c t u r ed i a g r a mo fh a r d w a r e ／s o f t w a r e s y s t e mb a s e do np C ／O S - l I ；O S C P U _ A ．A S M 需要编写的汇编语言函数有 O S C t x S w ；O S S t a r t H i g h R d y ；O S I n t C t x S W ； O S T i c k I S R 。 2 ．3 系统任务设计 浮选液位控制器系统软件主要实现光电传感器 点信号检测，人机交互处理，控制核心软发以及通讯 等功能。传统的嵌入式系统设计中，多采用裸机开 发，单任务循环机制配合两级的事件中断模式，在实 现较多优先级任务设计中存在瓶颈，使得部分任务 在裸机模式下的实时性无法得到保证，从而也降低 了系统的稳定性。由于本仪器软件上基于斗C ／O S 一 Ⅱ嵌入式实时操作系统平台进行任务设计，保证了 实时性的同时也缩短了编写功能模块调度算法的时 间。浮选液位控制器系统分为数据采集模块，数据 处理模块，参数标定模块，数据通讯模块、故障追忆 模块以及人机交互模块等。 p C ／O S 一1 1 是抢占式内核，其调度策略是最高 优先级的任务一旦就绪，总能得到C P U 的使用权。 当一个运行着的任务使～个比它优先级高的任务进 入了就绪态势，当前任务的C P U 使用权就被剥夺 了，或者说被挂起了，更高优先级的任务立刻得到了 C P U 的使用权。如果是中断服务子程序使一个高 优先级的任务进入就绪态，中断完成时，中断了的任 务被挂起，优先级高的任务开始运行。系统根据功 能模块p C ／O S 一Ⅱ建立串口0 收发任务、串口I 收发 任务、模块扫描时间计算任务、1 0m s 中断事件任 务，实时时钟任务、数据处理任务、键盘扫描任务以 及L C D 显示任务等1 0 个任务，并按各任务对实时 万方数据 有色金属 矿山部分第6 2 卷 性的要求确定其优先级顺序。每个任务都由等待状 态、睡眠状态、就绪状态、运行状态、被中断状态以及 各状态切换的触发条件组成。某一时刻系统只有一 个处于任务运行。 3结语 嵌入式实时系统是当前嵌入式应用的一个热 点，也是单片机应用从低水平到高水平的一个进步， 嵌入式实时系统的出现使得现代工业智能仪器仪表 的开发有了更好的选择。与传统的单线程的开发方 式相比，基于嵌入式实时多任务内核开发的智能仪 器仪表具有更快的实时响应速度，更好的整体性和 更强的抗干扰能力，不但能大大提高高端电子产品 的研制效率，缩短开发周期，更有利于多人的开发协 作，因此嵌入式实时系统必将成为未来智能仪器仪 表开发的主流与趋势。 参考文献 [ 1 ]G a r e a u ，J e a nLT h eA r to fP r o g r a m m i n gE m b e d d e dS y s t e m [ M ] ．S a nD i e g o A c a d e m i cP r e s s ，1 9 9 2 ． [ 2 ]R i p p s ，D a v i dkA nI m p l e m e n t a t i o nG u i d eT oR e a l - T i m eP r o - g r a m m i n g [ M ] ．E n g l e w o o dC l i f f s ，N e wJ e r s e y Y o u r d o nP r ∞， 1 9 8 9 ． [ 3 ] J E A NJ ．L A B R O S S E 著，邵贝贝译．p 忙／O S l I 源码公开 的实时嵌入式操作系统[ M ] ．北京中国电力出版社，2 0 0 1 ． [ 4 ]朱义君．A 1 “ 9 1 系列A R M 微控制器体系结构与开发实例 [ M ] ．北京北京航空航天大学出版社，2 0 0 4 ． [ 5 ]马忠梅．A I 9 1 系列A R M 核微控制器结构与开发[ M ] ．北京 北京航空航天大学出版社，2 0 0 2 ． [ 6 ]周航慈．智能仪器仪表原理与设计[ M ] ．北京北京航空航 天大学出版社。2 0 0 4 ． 上接第6 4 页 术、微震监测技术，矿山的安全管理水平得到极大提控管理，实现了人员及设备的安全高效运行；自实施 高，安全管理效果明显。实施无线泄漏通信技术及微震监测技术后，采场作业尚未发生重伤以上安全 电视监控技术后，人员及设备得到了有效的实时监事故，提高了矿山采矿生产率。 图3 所有微震事件分布的西视图 F i g ．3 L e f tv i e ww h i c hs h o w st h ed i s t r i b u t i o no fa l lm i c r o s e i s m i ce v e n t s 当今信息化技术的发展，推动了矿山技术的发 展，推动了矿山管理的进步。一方面要不断完善安 全管理制度，另一方面要研究采用新技术，提高矿山 安全管理手段。驰宏公司会泽矿山，为提升安全管 理，以信息化为基础，研究采用了远程监视、监测和 监控系统，实现了对井下人员、提升运输设备的安全 监控管理，对采场地压活动的监测预报，极大地促进 了矿山的安全管理工作。 参考文献 [ 1 ] 黄维新，贾明涛，等．基于微震监测技术在矿山安全管理中的 应用研究[ J ] ．中国安全科学学报，2 0 0 8 ，1 1 8 1 6 5 1 7 0 ． [ 2 ] 霍斐，吕淑然．某铁矿爆破地震效应监测与分析[ J ] ．有色金 属 矿山部分 ，2 0 0 8 ，6 0 3 4 2 4 4 ． [ 3 ]孔宪海。张建国．井下泄漏通讯系统的应用[ J ] ．煤炭技术， 2 0 0 7 ，2 6 9 4 4 4 5 ． 万方数据