基于VxWorks的三軸尾翼電機(jī)容錯控制模塊設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

王源源

（成都東軟學(xué)院，四川 成都611844）

0 引言

自20世紀(jì)70年代單片機(jī)出現(xiàn)以來，嵌入式系統(tǒng)已獲得了較為深入的研究，隨著嵌入式技術(shù)的不斷成熟，基于嵌入式系統(tǒng)編寫特制電路下的設(shè)備驅(qū)動程序也越來越受到人們的青睞。在所有的操作系統(tǒng)中，VxWorks的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是一個相當(dāng)小的微內(nèi)核的層次結(jié)構(gòu)，內(nèi)核支持VxWorks在較高層次所需要的多任務(wù)環(huán)境、進(jìn)程間通信和同步功能，并以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時性被廣泛應(yīng)用于通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時性要求極高的領(lǐng)域。本文主要從軟硬件的可靠性設(shè)計方面來闡述，硬件方面采用了結(jié)構(gòu)化、模塊化的設(shè)計思想，硬件平臺結(jié)構(gòu)清晰、易于裁剪［1］；軟件方面，對設(shè)備驅(qū)動可靠性的設(shè)計著重于設(shè)備驅(qū)動與操作系統(tǒng)內(nèi)核的有效分離、雙驅(qū)動冗余備份及智能切換技術(shù)［2－3］。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

從功能、接口、結(jié)構(gòu)、模塊間通訊方式等方面來考慮劃分模塊，我們可以將本系統(tǒng)分成數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊和尾翼電機(jī)控制［4］模塊。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制整體框圖

（1）控制模塊采用基于 ARM920t內(nèi)核的S3C2410A微處理器作為控制系統(tǒng)的中央控制器，該芯片主頻400MHz，最高可達(dá)到533MHz，內(nèi)含多種設(shè)備接口，硬件支持從NorFlash啟動并可增加Nand－Flash容量。

（2）數(shù)據(jù)采集部分采用的是飛思卡爾公司的MMA7260QT三軸向加速傳感器，其采用了信號調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補(bǔ)償技術(shù)，并提供4個量程可選，用戶可在4個靈敏度中做選擇，且?guī)в械屯V波并已做零g補(bǔ)償。MMA7260QT傳感器可準(zhǔn)確測量三軸低量級下降、傾斜、移動、定位、撞擊和震動，并且?guī)Х栞敵霰硎緶y量值的方向。當(dāng)周圍環(huán)境發(fā)生變動時，通過MMA7260QT型三軸小量程加速傳感器，可將X軸、Y軸和Z軸變化的加速度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供ARM處理器處理。

圖2 硬件模塊容錯框圖

（3）尾翼電機(jī)控制部分采用的是TA8435H電機(jī)驅(qū)動芯片，通過MMA7260QT型三軸小量程加速傳感器采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)ARM處理器處理后輸出信息，來控制電機(jī)無極調(diào)速，從而控制X、Y、Z軸的功放，進(jìn)而控制X、Y、Z軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到控制方向的目的。

2 系統(tǒng)硬件的可靠性設(shè)計

根據(jù)調(diào)查研究，當(dāng)前的硬件設(shè)計能力已相當(dāng)成熟，以往設(shè)計嵌入式硬件主要是從元器件的選用與控制、熱設(shè)計、電磁兼容設(shè)計等方面來保證其可靠性，只著眼于所開發(fā)的產(chǎn)品個體，著眼于可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項功能，并未系統(tǒng)地從橫向考慮開發(fā)相近產(chǎn)品所需的條件或從縱向考慮產(chǎn)品的升級換代，造成多個產(chǎn)品設(shè)計相對孤立、設(shè)計開發(fā)周期長、效率低，增加了產(chǎn)品升級和新產(chǎn)品研發(fā)的難度。

在本設(shè)計中，我們除了遵循傳統(tǒng)的嵌入式硬件設(shè)計方法外，還引進(jìn)了模塊化和容錯設(shè)計思想［5－6］。

模塊化設(shè)計的核心思想是以少變的系統(tǒng)構(gòu)思應(yīng)付多變的需求，以內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)付外部的個性化和多樣化，通過可重用的模塊組合得到盡可能多的品種，最大限度地滿足不同用戶的需求，同時也便于設(shè)備調(diào)試和維修。

同時，對于電機(jī)控制驅(qū)動模塊，我們可以采用容錯控制原理，即在以前的三路電機(jī)基礎(chǔ)上增加一到兩路電機(jī)控制作為備用電機(jī)，這樣的話，當(dāng)三路電機(jī)中某路偶爾出現(xiàn)問題時就可調(diào)用備用電機(jī)，從而使得其在各種惡劣的環(huán)境下都能可靠工作。硬件模塊容錯框架原理如圖2所示。

從功能、接口、結(jié)構(gòu)、模塊間通訊方式等方面來考慮劃分模塊，我們可以將本設(shè)計分成傳感器輸入模塊、控制模塊和尾翼電機(jī)控制模塊，這樣既可發(fā)揮模塊化設(shè)計的優(yōu)勢，又能避免模塊組合帶來的兼容性［7－8］問題。

（1）控制模塊（主控CPU）的功能主要是實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制以及傳感器信號的處理和控制。對電機(jī)的控制采用模塊化方法，即選用已成熟的電機(jī)驅(qū)動器直接控制電機(jī)，因此，控制模塊硬件電路的設(shè)計主要解決電機(jī)驅(qū)動器與ARM應(yīng)用板之間的接口問題以及相關(guān)傳感器信號采樣問題。軟件的設(shè)計遵循與硬件相結(jié)合的方法，即根據(jù)性能要求，基于硬件電路的設(shè)計進(jìn)行相關(guān)軟件算法的研究。控制模塊的目的是根據(jù)輸入控制信號、傳感器采樣信號，實(shí)現(xiàn)對尾翼控制的3個電機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，使之能實(shí)現(xiàn)左、右、上步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動時間、正反轉(zhuǎn)的控制，即三自由度控制，問題的核心在于對各電機(jī)的啟停、速度、方向進(jìn)行控制。

（2）對于電機(jī)控制驅(qū)動模塊，單獨(dú)設(shè)計一個CPU控制一路電機(jī)。通過片間接口模塊接收來自主控CPU的目標(biāo)位置數(shù)據(jù)，進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)控制。即由模塊中的CPU完成發(fā)送脈沖指令，實(shí)現(xiàn)加、減速運(yùn)動的控制，使電機(jī)運(yùn)動至主控CPU指定位置。在此處，電機(jī)控制模塊的本質(zhì)就是“黑匣子”，擁有公開接口，實(shí)現(xiàn)完整功能，無需知道其內(nèi)部情況就可在不同系統(tǒng)中進(jìn)行電機(jī)的點(diǎn)對點(diǎn)控制，從而體現(xiàn)其通用性。

（3）容錯模塊選擇器其實(shí)是一個多分支選擇電路，當(dāng)主轉(zhuǎn)電機(jī)出現(xiàn)異常事故時，可以通過檢測驅(qū)動芯片返回的異常信號來自動切換到備用電機(jī)，從而保證了系統(tǒng)在異常的情況下能夠正常工作。

總之，在設(shè)計中運(yùn)用模塊化和容錯的設(shè)計思路，可使各單元工作要求明確，提高了總體設(shè)計的可行性和可靠性，縮短了設(shè)計周期，降低了制造成本，便于設(shè)備調(diào)試和維護(hù)，增強(qiáng)了抗干擾性，加強(qiáng)了各個模塊的通用性，為以后的升級換代預(yù)留了空間。

3 系統(tǒng)驅(qū)動軟件的可靠性設(shè)計

驅(qū)動軟件在嵌入式系統(tǒng)中起到了橋梁作用，應(yīng)用軟件通過其找到與硬件相連的接口，進(jìn)而來控制硬件，因此嵌入式系統(tǒng)的可靠性除了在硬件方面要得到保障以外，很大一部分依賴于驅(qū)動軟件的高可靠性。

根據(jù)現(xiàn)有的關(guān)于驅(qū)動程序的可靠性研究［9］，驅(qū)動可靠性的提高依賴于對驅(qū)動程序的隔離，因而如何將設(shè)備驅(qū)動程序運(yùn)行空間與內(nèi)核運(yùn)行空間進(jìn)行有效隔離，成為了我們著重關(guān)注的問題。

根據(jù)驅(qū)動程序進(jìn)行隔離后所處的地址空間，一般將設(shè)備驅(qū)動隔離在3個不同位置：

（1）驅(qū)動程序仍然運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)，但要加強(qiáng)對驅(qū)動程序運(yùn)行時的權(quán)限限制和對驅(qū)動程序的安全檢查；

（2）將驅(qū)動程序遷移到用戶態(tài)空間［10］，把驅(qū)動程序當(dāng)成應(yīng)用程序來運(yùn)行；

（3）將驅(qū)動程序隔離在一個單獨(dú)系統(tǒng)中，運(yùn)行驅(qū)動程序和上層系統(tǒng)通過微內(nèi)核進(jìn)行通訊。

在本設(shè)計中我們采用的是第二種提高驅(qū)動可靠性的方法，即將驅(qū)動程序遷移到用戶態(tài)空間，其好處有二：

（1）與內(nèi)核地址空間隔離，驅(qū)動的崩潰不會引起系統(tǒng)崩潰；

（2）驅(qū)動開發(fā)與調(diào)試均可使用用戶空間的編譯工具和調(diào)試工具，并且引入了模塊化的設(shè)計思想，使得驅(qū)動的開發(fā)與調(diào)試更加便捷。

驅(qū)動應(yīng)用框圖如圖3所示。

圖3 用戶態(tài)驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖

同時，提高驅(qū)動程序的可靠性還可以采用雙驅(qū)動冗余備份及智能切換技術(shù)［2－3］，該技術(shù)能進(jìn)行智能切換，即一個驅(qū)動作為主驅(qū)動正常工作，另一個驅(qū)動作為備用驅(qū)動處于激活狀態(tài)。當(dāng)主驅(qū)動發(fā)生故障時，系統(tǒng)自動切換至備份驅(qū)動繼續(xù)工作，這就保證了整個系統(tǒng)的高可靠性。其原理如圖4所示。

4 結(jié)語

本文介紹了嵌入式VxWorks下的一種高可靠性尾翼電機(jī)容錯控制模塊，成功實(shí)現(xiàn)了通過外部傳感器的輸入信號來控制各個方向的電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動時間，其已經(jīng)在各種環(huán)境下進(jìn)行過嚴(yán)格測試并用于工業(yè)自動化控制中，實(shí)踐證明性能穩(wěn)定可靠。

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［6］蔡建平．關(guān)于嵌入式應(yīng)用開發(fā)技術(shù)［J］．單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2001（3）：5－11，34．

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［9］周啟平，張楊．VxWorks下設(shè)備驅(qū)動程序及BSP開發(fā)指南［M］．北京：中國電力出版社，2004．

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