0引言
雖然目前通信電源產品中嵌入式控制系統的研發技術比較成熟，但是同一系列(如DUM系列)不同功率型號的產品具有不同的性能參數，以致控制系統采用不同的控制方法；同時，在以往的產品研發過程中，不同的嵌入式系統工程師具有不同的軟硬件設計思想，帶來了芯片應用、電路體系、軟件結構的差異。這兩方面問題造成產品的統一管理、統一維護與升級困難，成本提高。
針對上述嵌入式控制系統兼容性和擴展性考慮不周的問題，結合8位AVR單片機的資源優勢以及源代碼開放的μC/OS-II實時操作系統內核的強健性和移植性，本文提出了嵌入式控制系統中基于AVR+μC/OS-II的整流模塊控制器設計方法。利用AVR資源豐富、運行速度快、編程靈活、調試方便的特點來滿足該控制器的功能與可靠性要求。采用C語言和匯編語言相結合的方法，將μC/OS-II實時操作系統移植入AVR，在保證系統性能的同時，將軟件開發統一化、規范化，縮短了產品研發周期，易于產品維護升級，降低了成本。
1組成及工作原理
DUM系列通信電源的嵌入式控制系統由主控制器、整流模塊控制器(簡稱“模塊控制器”)等組成。主控制器是中央處理子系統。模塊控制器是聯結主控制器與整流模塊(簡稱“模塊”)之間的數據通信、信號采集與指令控制的子系統，其功能由硬件和軟件兩部分協調完成。硬件上不同功率型號通信電源產品的模塊控制器架構完全一致；軟件上使用μC/OS-II完成數據處理及任務調度。具體的工作原理是：AVR依次采集并轉換模塊的狀態信號，檢測在位和模塊告警信號，以此構造狀態幀，通過RS485串行總線發送到主控制器，同時接收并解析主控制器發來的模塊調壓、限流和開關機控制信號幀，最后向模塊發送和執行這些控制信號。下面結合圖1，具體說明主控部分的特點，其余部分詳見文獻[1]。
主控部分MCU芯片采用ATMEL公司的ATmega16L。它具有如下特點[2]：
(1) 豐富片內資源：片內配置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。為μC/OS-II提供充足的程序空間；豐富的片內外設減少了AVR外圍電路，使控制器組態簡單，穩定可靠。
(2) 高速、低輻射、低功耗：采用8-bit增強的RISC結構和Harvard結構，具有1MIPS/MHz性能，晶振頻率低(最大工作頻率為8MHz)。
(3) 強大的C語言支持能力：結合1KB片內RAM、硬件乘法器，以及優秀的C編譯器，有助于生成快速、高效代碼。為μC/OS-II的運行提供充足的堆棧空間，程序可讀性和兼容性得到保證。
(4) 支持JTAG在線下載調試，從而縮短開發周期，降低產品成本。
2軟件設計
模塊控制器的軟件設計步驟為：第一，將所實現的功能劃分成若干用戶任務；第二，以μC/OS-II為操作系統，將它移植入ATmega16L并進行配置；第三，編寫用戶任務和中斷程序；第四，在系統上編譯、調試程序。
2.1 μC/OS-II的移植和配置
μC/OS-II是一個實時性強的操作系統內核，其軟硬件體系結構如圖2所示。應用程序處于頂層，每個任務都可以獨占處理器，因此設計成無限循環。μC/OS-II處理器無關代碼提供操作系統服務，應用程序可以使用這些服務函數進行創建和刪除任務、任務間通信以及內存管理等操作。μC/OS-II的大部分代碼使用C語言編寫，與處理器相關的實時操作使用匯編語言編寫。用戶可將μC/OS-II內核裁減為滿足功能的最小系統。
圖2 μC/OS-II的軟硬件體系結構
將μC/OS-II移植入AVR，需要修改OS_CPU.H、OS_CPU_C.C和OS_CPU_A.S這三個與MCU相關的文件，并根據控制器功能需求配置μC/OS-II，即修改OS_CFG.H文件[3]。
2.2 任務功能
將控制器的功能劃分成5個用戶任務，指定任務優先級，優先級的制定原則是任務的重要性和實時性。μC/OS-II最多支持64個優先級，每個任務賦予1個優先級，其中用戶優先級為4～OS_LOWEST_PRIO-3。本控制器的用戶優先級選擇范圍是4～8。各用戶任務分別為：
(1) 創建用戶任務的任務AppTaskStart()：初始化操作系統時鐘節拍、初始化硬件、創建用戶任務。這是開啟多任務調度OSStart()之后第一個被執行的任務，優先級為4。
(2) 產生PWM波的任務SetPWMOutTask()：產生PWM調壓、限流波輸出值，優先級為5。
(3) 處理模塊在位和告警信號的任務GetWarnStatusTask()：采集模塊的在位信號和告警信號，優先級為6。
(4) 模塊狀態采集的任務RctMeasureTask()：片內ADC采集并量化模塊電流狀態信號，優先級為7。
(5) 處理模塊開關機的任務PowProcessTask()：解析并向模塊執行主控制器發來的開關機信令，優先級為8。
這里以創建用戶任務的任務為例，介紹用戶任務程序編寫方法。其主要代碼如下：
static void AppTaskStart(void *pdata)
{
(void)pdata; // 防止編譯器告警
OSTickISR_Init(); // 初始化操作系統時鐘節拍
AppIOInit(); // 硬件初始化
AppTaskCreate(); // 創建用戶任務
while (1) // 任務體(無限循環體)
{
OSTimeDly(10); // 本任務延時100ms，同時讓下一個最高優先級的就緒態任務執行
}
}
2.3 中斷程序
時鐘節拍中斷：操作系統通過時鐘節拍來實現計時以及延時操作，AVR工作頻率為8MHz，取一個時鐘節拍為10ms。必須創建一個用戶任務并開啟多任務調度OSStart()之后才能開啟時鐘節拍中斷，否則系統可能崩潰。
USART接收完成中斷：接收并解析主控制器發來的命令數據幀。USART發送完成中斷：構造模塊狀態信息幀，發送到主控制器。這2個中斷通過全局變量與用戶任務通信。
2.4 兼容與擴展
如果本控制器的某個功能需要改進，則直接修改相應的任務函數即可；如果要為本控制器添加新功能，則直接創建新任務，賦予優先級，在新任務函數中加入新功能的源代碼即可。這就為系統軟件的維護與升級提供了方便快捷的途徑。
本控制器采用統一的數據結構，采用統一的適用于不同型號模塊的控制處理過程。另外，按照通信協議，本控制器向主控制器發送請求模塊配置幀，然后接收主控制器發回的配置信息來配置被控模塊參數。
3結論
本文結合AVR單片機和μC/OS-II實時操作系統的優點，設計出基于AVR+μC/OS-II的嵌入式模塊控制器，它具有軟硬件設計的兼容性強和易于擴展等突出特點，為DUM系列不同功率型號通信電源產品的開發、維護和升級節省了時間和費用。自2005年6月至今試用于DUM48-15B、25D、30D等通信電源產品中，其性能穩定，采樣精度高，告警、控制準確度100%，通信誤碼率低，取得了很好的應用效果。
參考文獻：
[1] 張嶼, 毛征, 劉瑞東. 基于AVR單片機的整流模塊控制器設計與實現. 中國電子學會第十一屆青年學術年會論文集, 2005.
[2] Atmel Corporation. ATmega16(L) Datasheet.
[3] Jean J. Labrosse 著, 邵貝貝 等 譯. 嵌入式實時操作系統μC/OS-II (第2版). 北京: 北京航空航天大學出版社, 2003.
張嶼：碩士，研究方向為嵌入式系統。
