2023年有轨电车轨道模块中实时操作系统的应用.docx

有轨电车轨道模块中实时操作系统的应用 ：该文主要介绍将实时操作系统应用于有轨电车轨道模块控制系统，通过实时系统弥补离散控制系统实时性差的问题。采取基于LPC1700的实时多任务操作系统μC/OS-Ⅱ进行有轨电车轨道模块的通信控制，从而实现了各个模块通信的实时性。 关键词：实时操作系统；轨道模块；LPC1700；μC/OS-Ⅱ 中图分类号： TP31 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2023）18-4341-03 The Application of Real-time Operating System in the Track Module of the Tram ZHAO Sheng-yan， LING Xiao-ming （Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China） Abstract： In this paper， a real-time control system was used to the orbital module control system of the tram"s main track，， through the real-time system we solved the problem of poor real-time in discrete control system.By using the real-time multitasking operating system named μC/OS-Ⅱwhich based on LPC1700，we control the communication of the tram"s track module and implement the real-time communication of the modules. Key words： RTOS（real-time operating system）； orbital module； LPC1700； μC/OS-Ⅱ 1 概述 在城市各种公共交通工具中，城市轨道交通具有运量大、速度快、平安可靠、污染底等特点[1]。而在轨道交通控制系统中，轨道模块控制系统是交通运营方面极为重要的一个环节。传统的轨道模块控制系统是离散模块，离散模块无法实现各个模块的通信的实时性。因此，为了更好地提高系统的实时性，研究将实时操作系统应用于轨道模块，已成为完善控制系统十分重要的一个方面。基于以上原因，该文研究了有轨电车轨道模块控制中实时多任务操作系统μC/OS-Ⅱ的应用，并通过实际应用验证了其可行性。 采用基于LPC1700的实时多任务操作系统μC/OS-Ⅱ进行有轨电车轨道模块控制时，首先要将μC/OS-Ⅱ移植到LPC1700微处理器上。μC/OS-Ⅱ是一个完整的，可移植、固化、裁剪的占先式实时多任务内核。μC/OS-Ⅱ是在PC机上开发和测试的，但μC/OS-Ⅱ的实际对象是嵌入式系统，并且很容易移植到不同架构的微处理器上[2]。该文将简单介绍如何将μC/OS-Ⅱ移植到LPC1700上并且实现有轨电车轨道模块控制系统中多任务的运行。 计算机在执行应用程序时，经常要用I/O设备进行数据的输入和输出，而I/O设备在工作时总是需要一段时间的。于是在I/O设备工作期间，如果CPU没有其他任务，那么就只能等待，因此就会使计算机运行一个应用程序所花的时间比拟长，也就是说，这种系统的实时性较差。多任务运行的实现实际上是靠CPU在许多任务之间转换和调度。CPU只有一个，轮番效劳于一系列任务中的某一个。多任务运行使CPU的利用率到达最高，并使应用程序模块化[3]。该文就是使用了多任务，将一个大的应用程序分成相对独立的多个任务来完成，从而给应用程序的设计和维护也提供了极大的方便。 2 基于LPC1700的μC/OS-Ⅱ的移植 1） 移植要求 在将实时操作系统应用在有轨电车轨道模块控制系统中时，我们采用了LPC1700微处理器，移植过程在Keil μVision4集成开发环境上完成。由于LPC1700微处理器支持并能产生中断、具有堆栈指针、具有CPU内部存放器入栈和出栈指令，并且Keil μVision4的C编译器可直接在C语言中开关中断，并支持内嵌汇编指令[4]。所以，以Keil μVision4为开发平台，以LPC1700作为目标微处理器来移植μC/OS-Ⅱ是完全可行的。 2） 需要移植的主要内容 需移植的μC/OS-Ⅱ的软件体系结构如图1所示。 从图中我们可以明确知道对于μC/OS-Ⅱ的移植主要是编写OS_CPU.H、OS_CPU_C.C和OS_CPU_A.ASM三个文件中的代码[5]。 3） 移植后的测试 在验证移植的μC/OS-Ⅱ是否正常工作时，首先不加任何应用代码来测试移植好的μC/OS-Ⅱ，也就是说，应该先测试内核自身的运行状况。这样做的好处是：如果有些局部没有正常工作，我们可以明白是移植本身的问题，而不是应用代码产生的问题。在进行此次移植代码的测试时，采用了以下四个步骤[6]： ① 确保C编译器、汇编编译器及链接器正常工作； ② 验证OSTaskStkInit（）和OSStartHighRdy（）函数； ③ 验证OSCtxSw（）函数； ④ 验证OSIntCtxSw（）和OSTickISR（）函数。 3 有轨电车正线联锁控制系统实时多任务的实现 μC/OS-Ⅱ的任务有两种：用户任务和系统任务。由应用程序设计者编写的任务，叫做用户任务；由系统提供的任务叫做系统任务。用户任务是为了解决应用问题而编写的；系统任务是为应用程序提供某种效劳或为系统本身效劳的[6]。下面的任务就是针对有轨电车轨道模块所设计的用户任务，轨道模块实现对轨道区段的状态采集，将状态信息传至联锁CPU模块进行联锁运算，确保行车平安，以下是轨道模块相关功能的实现方式。 1） 双ARM同步任务的实现 在建立此任务时，由于每次任务执行的时间必须相同，因此让双ARM同步任务的执行时间是0.5ms。具体实现方法是：首先为双ARM同步任务配置堆栈空间，其代码为static OS_STK stkARM_synTask[256]，并在main（）函数中创立此任务，代码为OSTaskCreate（CupledTask， （void x）0， &stkCupledTask[sizeof（stkCupledTask） / 4 - 1]，12）。其次让定时器0每隔0.5ms中断一次，在每次中断时，用消息邮箱发送消息给所有的任务。发送消息邮箱的具体步骤是：定义消息邮箱指针：OS_EVENT xMybox；在main（）函数中创立消息邮箱：Mybox = OSMboxCreate（（void x）0），最后发送消息：OSMboxPostOpt（Mybox，（void x）1，OS_POST_OPT_BROADCAST）。当处于挂起状态的双ARM同步任务接收到消息时，就会立刻进入就绪态，当其他更高优先级的任务运行结束后，此任务即刻进入运行态。进入主机调试窗口观察到的结果如图2所示。进入从机调试窗口观察到的结果如图3所示。 2） 采集外线状态任务的实现 由于信号采集任务的优先级高于数据处理任务的优先级，即信息传递的上游任务的优先级高于下游任务的优先级，所以让采集外线状态任务的优先级高于双ARM同步任务的优先级[3]。在函数main（）中创立此任务，其代码为：OSTaskCreate（GatherTask， （void x）0， &stkGatherTask[sizeof（stkGatherTask） / 4 - 1]， 8）。同样地，当任务接收到消息邮箱发送来的消息后，且任务处于就绪态任务的最高优先级时立刻进入运行态。其采集到的外线状态的结果如图4所示。 3） 解析联锁命令任务的实现 解析联锁命令任务是比拟关键的任务，为防止由于联锁命令的漏解析，使得控制系统发出错误的控制指令，我们将此任务的优先级设得比拟高，创立任务的代码为：OSTaskCreate（ParseTask， （void x）0， &stkParseTask[sizeof（stkParseTask） / 4 - 1]， 6），当有新数据到达时，判断第一路、第二路有无命令，如果有命令，判断是否为请求命令，假设是请求命令，且有请求数据时，读取请求数据的帧序号。 4） 驱动继电器动作任务的实现 将驱动继电器动作任务创立为主任务，且优先级为创立的任务中最高的优先级：OSTaskCreate（mainTask， （void x）0， &stkMainTask[sizeof（stkMainTask） / 4 - 1]，4），我们在安排任务的优先级时，设计了一定的冗余，这样就为以后增加新任务提供方便，即当要创立新的任务而不知道优先级是多少时，就可以在不改变现有任务优先级的情况下，很容易根据需要找到一个适宜的空闲优先级。驱动继电器动作的命令如图5所示。 5） CPU运行灯控制任务的实现 CPU运行灯控制任务的实现采用接收二值信号量的方法，二值信号量的使用范围是：被控制方总能够及时响应控制方发出的信号，完成相应处理器任务，并在下一次信号来到之前进入等待状态[6]。OSTaskCreate（CupledTask， （void x）0， &stkCupledTask[sizeof（stkCupledTask） / 4 - 1]，12）是创立CPU运行灯控制任务的代码，中断处理函数每到100ms时给CPU运行控制任务发送二值信号量：OSSemPost（CpuSem），当任务接收到二值信号量时，即刻进入就绪态。 6） 串口2发送数据任务的实现 与CPU运行灯控制任务类似，串口2发送数据任务也通过接收二值信号量的方法，当定时器0每隔50ms时，发送信号量，任务先进行发送数据的配置，包括帧头、帧尾、第一路采集状态数据、第二路采集状态数据、数据校验和等，待接收到信号量时即刻向CPU发送数据[7]。如图6所示为执行CPU通过串口2向监测CPU发送的数据，其中FE是帧头，EF为帧尾，55和55分别是第一路和第二路轨道采集状态，33和44分别为第三路和第四路轨道采集状态，66为故障信息，78为校验和。从图中我们可以看出监测CPU能成功地接收到执行CPU发送的数据。 4 总结 针对有轨电车轨道模块控制系统中，实时性较差的问题，采用了基于LPC1700的μC/OS-Ⅱ实时操作系统，已实现各模块通信的实时性。从文中通信数据结果中可以看出，采用了实时操作系统μC/OS-Ⅱ的各模块能有效满足有轨电车轨道模块控制系统实时性的要求，可以对轨道区段的状态信息进行实时采集，并将状态信息传至联锁CPU模块进行联锁运算，确保了行车平安，具有一定的现实意义。 参考文献： [1] 耿幸福，徐新玉，张国保.城市轨道交通行车组织[M].北京：人民交通出版社，2023：2-10. [2] Jean J.Labrosse.嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ[M].邵贝贝，等，译.北京：北京航空航天大学出版社，2003：116-281. [3] 任哲.嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2023：42-187. [4] 周立功等.深入浅出Cortex-M3—LPC1700（上册）[M].广州：广州致远电子，2023：213-377. [5] 顾凤玉，施国梁，杨涛.基于LPC2478的μC/OS-Ⅱ的移植及多任务的实现[J].知识与技术，2023，5（7）：1776-1779. [6] 周航慈.基于嵌入式实时操作系统的程序设计技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2023：50-160. [7] 周立功，等.深入浅出Cortex-M3—LPC1700（下册）[M].广州：广州致远电子，2023：142-200.