基于LPC2129&μC/OS-II的实验锅炉控制器的设计阎有运，郝政伟（河南理工大学 电气工程与自动化学院, 河南 454003）摘要：介绍了基于LPC2129&μC/OS-II的锅炉控制系统试验控制器的设计。针对目前嵌入式系统实验设备缺乏实验对象，设计了一个以LPC2129为微控制器、以GZS-3过程控制实验台所配套的锅炉模型为对象的系统，结合μC/OS-II和μC/GUI进行软件设计，实现了系统的模块化设计，提高了系统的稳定性和可靠性。关键词：μC/OS-II；μC/GUI；嵌入式系统；锅炉控制系统 The Design of Controller for Experiment Boiler Based on LPC2129&μC/OS-II YAN Youyun，HAO Zhengwei (School of Electrical Engineering and Automation, Henan Polytechnic University, 454003, China) Abstrcat: The design of controller for experimental boiler based on LPC2129&μC/OS-II is proposed. Aiming at the embeded system experment equipment lack of experimental object, a system is designed in this paper, which takes LPC2129 as controller and the boiler model which is matched with GZS-3 process control laboratory apparatus as the control object. Software is designed combined with μC/OS-II and μC/GUI，and the system is modularized. The stability and reliability of the system are improved. Keywords: μC/OS-II；μC/GUI；embeded system；Boiler Controlled System 0 引言随着信息技术的的飞速发展，ARM技术方案架构作为一种具备低功耗、高性能、以及小体积等特性的32位嵌入式处理器，得到广大用户的肯定，目前已被广泛用于各类电子产品，汽车、消费娱乐、影像、工业控制、海量存储、网络和安保等领域。被业界人士认为，基于ARM的技术方案是最具有市场前景和市场优势的解决方案。但是，长期以来基于ARM的嵌入式系统设计的学习一直是初学者比较难的事。我们知道，嵌入式系统的学习非常重视实践环节，虽然现在市场有很多的开发套件，但是他们脱离生产实践，往往是板子买了，试验也做了，当我们自己做系统时，却很茫然。主要因为没有试验对象，严重脱离了生产实践。本文以GZS-3过程控制实验台所配套的锅炉模型为对象，设计一个试验用的嵌入式控制器，不但能够满足初学者学习基于ARM的嵌入式系统设计开发学习的需要，也能够满足工程训练的需要。 1系统介绍锅炉控制问题是控制领域的一个典型问题。随着计算机技术和通信技术的迅猛发展，计算机逐渐进入了锅炉控制领域并正在成为这一领域的主要角色，计算机具有很强的记忆功能，逻辑判断功能以及快速计算功能，为各种算法的实现提供了硬件基础，这样，较为先进的控制理论和控制算法进入锅炉控制领域才成为可能。锅炉计算机控制系统目前有多种形式：一、PLC控制；二、由STD总线工业控制机控制；三、由通用的PC机来控制。这三种控制形式现在技术都是比较成熟，并且在现场都有应用。而我校实验室的GZS-3过程控制实验台就是用通用PC机来控制的，它既具有现场锅炉的一些特点，防止了学习与实践相互脱节，又适合在实验室里进行操作。所以，本设计以这套实验台所的配套的锅炉模型为对象，设计一个基于LPC2129试验用控制器，来满足嵌入式系统学习和工程训练的需要。 2 硬件电路设计综合系统需求，系统硬件电路由模拟量输入、数字量输入、键盘输入、LCD显示、控制量输出电路、反馈电路及CAN总线通信等几部分组成。硬件电路框图如图1所示。 图1 系统硬件电路框图 2.1 LPC2129简介[4] LPC2129基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-S CPU，并带有256 k字节嵌入的高速Flash存储器和16 kB片内SRAM。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率60MHz下运行。LPC2129具有ISP和IAP 功能，包括多个32 位定时器、4路10 位ADC、 2 路高级CAN 通道、2 个UART 接口高速I2C接口(400 kHz)和2个SPI接口及多达9 个的外部中断。更重要的是它具有非常小的64脚封装，但却有多达46个GPIO，便于硬件电路及PCB的设计。 2.2 键盘电路设计 键盘是系统中人机交互必不可少的部分，在本系统中主要完成参数的设置以及对图形界面的操作。在设计中考虑到要节约IO口，采用的是ZLG2790B芯片通过I2C总线与LPC2129相连接。ZLG7290B 是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的数码管显示驱动及键盘扫描管理芯片。能够直接驱动8位共阴式数码管，同时还可以扫描管理多达64 只按键。为了使电源更加稳定，一般要在Vcc到GND之间接入47～470uF的电解电容，图中C11。按照I2C总线协议的要求，信号线SCL和SDA上必须要分别加上上拉电阻，其典型值是10KΩ。晶振Y1通常取值4MHz，调节电容C9和C10通常取值在12pF左右。电路如图2所示。 图2 键盘电路 2.3 CAN通信模块电路系统通过CAN总线来完成与上位机以及两个系统间的信息交换。LPC2129本身带有CAN控制器，只需要一个CAN总线收发器，这里采用的是TJA1040。TJA1040是控制器局域网CAN协议控制器和物理总线之间的接口，它为总线提供差动的发送功能，为CAN控制器提供差动的接收功能，同时它还具有速度高、电磁辐射低和抗电磁干扰性强等特点，具体电路图如图3所示。 图3 CAN通信电路 2.4 LCD显示模块电路液晶模块采用内嵌SED1335控制器的AG320240KSTCW00H，内部有64K的RAM，可以用作图形和文本的混合显示。由于LPC2129没有外部总线接口，所以SED1335与LPC2129之间只能间接连接，SED1335的数据线DB0～DB7与P1.16～P1.23相连接，SED1335的A0、WR、RD分别与LPC2129的P1.24、P1.25和P0.22相连接，SED1335的片选信号CS直接接地。 2.5 电源模块 系统需要的供电电源有：数字3.3V、数字1.8V、模拟3.3V、模拟1.8V和系统部分外设要用的5V，由于我们在这里用到了LPC2129的片上AD，故需要将模拟电源和数字电源分开供电。实验室有5V电源，这里采用SPX1117将电源转化需要的电源，并且需要大面积接地。 3 软件设计 本系统的软件设计包括μC/OS-II在ARM7上的移植、μC/GUI在ARM7和μC/OS-II上的移植和应用程序的编写。其开发环境采用的是ARM 公司推出的ADS1.2。ADS1.2 支持软件调试及JTAG硬件仿真调试，支持汇编、C 、C++ 源程序，具有编译效率高、系统库功能强等特点。 3.1 μC/OS-II在LPC2129上的移植[1] 移植工作分为编译器相关和处理器相关两部分。前者主要涉及数据类型定义、代码格式、头文件组织、条件编译选项及混合编程等；后者主要涉及开关中断、堆栈方向、任务栈结构初始化、任务调度、中断控制和响应、时钟节拍处理和高优先级任务执行等。其实，需要改的主要有三个与CPU相关的文件： (1)OS_CPU.H OS_CPU.H 文件主要是定义与编译器无关的数据类型、堆栈类型、堆栈增长方向和SWI 服务函数。在ARM7 处理器中用户任务可以使用两种处理器模式：用户模式和系统模式，各种方式对系统资源有不同的访问控制权限。为了使底层接口函数与处理器状态无关，同时不需要知道函数的位置，移植中要使用软中断指令SWI作为底层接口，使用不同的功能号区分不同的函数。 （2）OS_CPU_C.C OS_CPU_C.C 文件中主要是任务堆栈初始化代码、软中断异常处理程序、开关中断、钩子函数和移植增加的特定函数。根据ARM 内核的特点，增加了处理器模式转换函数和两个任务初始化指令集设置函数。它们都是通过SWI 转换到系统模式，通过软件中断服务程序实现的。 （3）OS_CPU_A.S OS_CPU_A.S 文件主要包括软件中断的汇编接口、任务级任务切换函数O S _ TA S K _ S W 和中断级任务切换函数OSIntCtxSw以及启动最高优先级就绪任务函数。另外，为了简化中断服务程序的编写，在本系统的移植中只使用了ARM的IRQ中断，因此，就必须初始化向量中断控制器和增加汇编接口。值得注意的是，用户程序必须在多任务系统启动后再启动时钟节拍器，否则会造成系统的崩溃。 3.2、移植μC/GUI[3] μC/GUI的移植主要分为两个步骤： （1）定制μC/GUI 在特定的环境中使用μC/GUI，必须对其进行定制。定制工作具体包括：修改LCDConf.h和GUIConf.h,选择LCD驱动程序两个方面。在LCDConf.h中定义了LCD的分辨率、颜色、LCD控制器类型等参数，同时声明了LCD底层读写命令函数，GUIConf.h定义了μC/GUI所支持的功能，程序如程序清单1所示。程序清单1： /* LCDConf.H 中的定义*/ /* GUICONF.H 中的定义*/ #define LCD_XSIZE (320) /* LCD 横坐标分辨率*/ #define LCD_YSIZE (240) /* LCD 纵坐标分辨率*/ #define LCD_CONTROLLER (6963)/*LCD 控制器类型*/ #define LCD_BITSPERPIXEL (1) /*像素颜色值，1 为单色*/ void LCD_WRITE_A0(Byte);/*写LCD 命令 */ void LCD_WRITE_A1(Byte);/*写LCD 数据 */ unsigned char LCD_READ_A1(void); /*读LCD 数据*/ void LCD_INIT_CONTROLLER(void); /*LCD 初始化*/ #define GUI_OS (1) /*支持多任务调用*/ #define GUI_WINSUPPORT(0) /* 不支持窗口功能*/ #define GUI_SUPPORT_MEMDEV (0) /*不支持MemDev */ #define GUI_SUPPORT_TOUCH (0) /*不支持触摸屏*/ #define GUI_DEFAULT_FONT &GUI_Font6x8 /*默认字体*/ uC/GUI 针对一些比较常用的液晶控制器提供了驱动程序。在本系统中用的点阵LCD 模块为SED1335控制器，选用对应的驱动程序文件LCDSLin.c 作为LCD 的驱动程序，将其添加到GUI\LCDDriver 目录中。 (2)编写LCD底层命令函数 LCD 底层命令函数包括 LCD 写命令函数(LCD_WRITE_A0(Byte))，LCD写数据函数(LCD_WRITE_A1(Byte))，LCD 读数据函数(unsigned char LCD_READ_A1())以及LCD初始化函数(void LCD_INIT_CONTROLLER())。LCD驱动程序通过调用这些函数来实现对LCD控制器SED1335的控制。LCD底层命令函数通过控制LPC2129的I/O口模拟读写SED1335内部寄存器的时序。 3.3、应用程序设计根据本系统所要实现的功能，并考虑到系统的实时性、可靠性和易于操作性，进行任务的划分和优先级的确定。按其功能系统可以分为一下几个任务：系统监控任务，键盘处理任务，LCD显示任务，CAN通信任务，模拟量采集任务，数字量采集任务和系统管理任务。监控任务主要是对系统工作状态的一种监控，根据采集到的模拟量和数字量来判断系统所处的状态，并根据所处的状态做出相应的处理和实现一些算法的控制；键盘处理任务主要是对键盘的输入进行相应的处理，由于键盘在设计时才有的是专用芯片，所以该任务主要是读取ZLG1790传输过来键值，然后根据判断做出相应处理；LCD显示任务用来显示系统的当前时间、状态和一些在操作过程中要显示的对话框；CAN通信任务完成与上位机和其他下位机的信息交换；模拟量采集任务完成对现场模拟信号输出传感器输出值的采集；数字量采集任务完成对现场数字输出传感器输出值的采集；系统管理任务主要是对系统进行相关的管理，包括系统的登陆、参数的设置和试验数据的记录等等。其主程序流程图如图5所示。 图5 主程序流程图 4 结语本文详细介绍了基于LPC2129&μC/OS-II的实验锅炉控制器的设计。采用封装小、功能集成度高的嵌入式微控制器LPC2129作为微控制器，用源代码开放的嵌入式实时操作系统μC/OS-II作为软件开发平台，结合uC/GUI进行软件设计，简化了系统的设计，便于编程实现，且使系统模块化，有利于系统的调试、升级换代和提高系统的稳定性。经过设计、制作和调试，系统现在在实验室稳定运行，能够进行温度、水位和水管压力等的控制实验。参考文献： [1] Jean J.Labrosse著,邵贝贝译。嵌入式实时操作系统μC/OS-II[M].北京航空航天大学出版社，2003：1-46. [2] 周立功等。 ARM嵌入式系统基础教程[M]。 北京航空航天大学出版社，2005：415-432. [3] μC/GUI User Manual Version 3.32[DB]。 [4] LPC2119/2129ARM微控制器使用指南[DB]。 [5] John Catsoulis著，徐君明等译。嵌入式硬件设计[M]。 中国电力出版社.2004:1416-6. [6] 任哲等著。嵌入式操作系统基础μC/OS-II和Linux[M]。北京航空航天大学出版社2006：897-8 作者简介：阎有运，（1952~），男，汉族，硕士生导师，高级工程师，研究方向为：工业过程控制郝政伟，（1980~），男，汉族 ，在校硕士生，研究方向为：工业过程控制、建模与优化 通讯地址：河南省焦作市河南理工大学新校区1001信箱邮政编码：454000 联系电话：0391---3574291 手机：（0）13629852766 E-mail: haozhengzhi@tom.com