2018年03月18日 | 采用Atmega128单片机的嵌入式控制器设计

     采用Atmega128单片机设计的嵌入式控制器，模拟量输入通道用Atmega128片内A/D转换器，输出用AD421 D/A转换器，数字量I/O通道配置高速先耦器件.用LCCavr编译器修改OSTaskStklnit()函数及其相关文件，定义数据类型等以实现MICroC/OS-Ⅱ的移植.

    1 引言

    嵌入式控制器是机电设备实现自动化的核心部件。故以大型机电设备为控制对象，利用高性能Atmega 128微处理器， 设计了具有现场总线(CANBUS)网络通信和一定通用性的多功能嵌入式智能控制器。

    2 硬件设计

    系统的硬件结构如图1。

    本控制器的核心采用64管脚TQFP封装的Atmega128芯片，具有53个可编程的I/O引脚，片内集成有128KB闪存、4KB EEPROM 和4KBSRAM，适合I/O通道和存储空间的需求。

    (1)模拟量输入通道

    模拟量输入通道采用Atmega128片内的8通道1O位A/D转换器。其信号输入部分可以根据具体的信号情况选择使用图2所示的多功能输入信号调理电路。在电压信号输入时可以由R1和C构成低通滤器(R2开路);R1和R2可以构成输入信号分压电路(电容c开路);对于4-20mA电流输入信号，R2使用250Q的精密电阻即可变换为1～5V的信号(R1短路、C开路)。在电路版上设计有对应多功能信号调理电路焊位元件的位置，可根据需要白行选择使用。8路模拟量输入部分占用的是ATMEGA128的PF0～PF7。

    (2)模拟量输出通道

    模拟量输出通道单元电路设计方案如图3。D/A转换器采用AD公司的AD421，它是一种单片低功耗、高精度的电流输出型DAC芯片，4～20mA 的输出可以驱动标准的执行元件。该芯片的数字接口为标准HART (三线)或其它FSK协议，DAC为16位分辨率，单调性输出。采用回路供电方式，内含电源调整器为本身和外围器件供电。在工业控制中，通常输入量要多于输出量，所以只设计Atmega128的PAO～PA7，PE2、PE3、PE6、PG4引脚通过4个光电隔离器(6N137)与4个AD421相连，构成4路模拟量输出。

    (3)数字量输入/输出通道

    数字量I/O通道各配置8路高速光耦隔离通道。光耦器件选6N137，其开关延迟tpd仅75ns，而普通光耦器件开关延迟有3～6μs。I/O通道接口安排在Atmega128的PB0～PB7、PD0～PD7。

    (4)CAN总线接口

    选择独立的CAN通信控制器SJA1000、CAN总线驱动器82C250和高速光电耦合器6N137与微控制器Atmega128进行设计。微处理器Atmega128负责SJA1000的初始化，通过控制SJA1000实现数据的接收和发送等通信任务。

    CAN总线接口如图4。SJA1000的AD0～AD7连接到Atmega128的PC 口，CS连接到Atmega128的PG3。PG3为0时CPU片外存储器地址选中SJA1000，CPU通过地址可对SJA1000执行读/写操作。SJA1000的RD、WE、ALE与Atmega128的引脚相连，INT 接Atmega128的PE7，Atmega128可通过中断方式访问SJA1000。

    (5)与PC机的串行通信

    考虑到智能控制节点要接收从RS232串口来的数据，因而采用了Atmega128的串行口进行中断接收，所用的引脚是PE0、PE1。通过MAX232进行数据传输。

    (6)脉冲输入脉冲输出

    由于输入信号的多样性，增加了PI/PO部分。

    3 Micro C/OS—II的移植

    Micro C/OS—II移植到Atmega128上，需要修改OS_CPU.H，OS_CPU_A.S和OS_CPU_C.C三个与其相关的文件。其中OS—CPU.H主要完成的是数据类型、堆栈单位、堆栈增长方向的定义。相关的数据类型定义：

    typedef unsigned char BOOLEAN;

    typedef unsigned char INT8U; //无符号8位数

    typedef signed char INT8S; //带符号8位数

    typedef unsigned int INTI6U; //无符号l6位数

    typedef signed int INTl6S; //带符号l6位数

    typedef unsigned long INT32U; //无符号32位数

    typedef signed long INT32S; //带符号32位数

    typedef float FP32; //单精度浮点数

    堆栈单位的定义：

    typedef unsigned char OS_STK;//堆栈入口宽度为8位

    状态寄存器的定义：

    typedef unsigned char OS_ CPU_SR;//定义状态寄存器为8位

    堆栈增长方向的定义：

    #define OS_STK_GROW TH 1;//AVR堆栈由高地址向低地址增长

    0S_CPU_C.C 文件主要包括任务堆栈初始化和实现操作系统规定的几个Hook函数。其中移植需要的Hook函数如下：

    OSTaskCreateHook();OSTaskDelHook()

    OSTaskldleHook();OSTaskStateHook()

    OSTaskSwHook();oSTCBInitHook()

    OSTimeTickHook()

    移植所需的OS— CPU-A.s中的函数有：

    OS_CPU_SR_SAVE();OS_CPU_SR_RESTORE()

    OSStartHightRdy();OSCtxSw0

    OSINTCtxSw();OSTicklSR0

    应用移植后的嵌入式操作系统对控制器进行验证，选取PB0～PB7作为输入，PD0～PD7作为输出，实现了二极管的发光演示。

    部分源代码如下：

    static void LED_Toggle(INT8U led)

    {

    #if OS_CRITICAL_M ETHOD = = 3

    //AlLOCate storage for CPU status register

    OS_CPU_SR cpu_sr;

    #endif

    OS_ENTER_CRITICAI ()：

    switck(1ed)

    {casc 1：PORTD⌒=0x01;break;

    case 2：PORTD⌒= 0x02;break;

    case 3：PORTD⌒= 0x04;break;

    case 4：PORTD⌒= 0x08;break;

    ｝

    OS_EXIT_CRITICAl ();

    ｝

    4 结语

    应用Atmega128设计的嵌入式控制器能完成多功能数据采集与控制，CAN总线和RS232通信，移植的嵌入式实时操作系统可增强实时多任务信息处理的能力。并通过实验对本设计进行了验证。