基于ARM和CPLD的開放式數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)中斷控制
本系統(tǒng)采用基于數(shù)據(jù)采樣法的粗精兩級(jí)插補(bǔ)結(jié)構(gòu)，插補(bǔ)周期為8 ms，采用中斷方式保證通信的實(shí)時(shí)性。中斷信號(hào)由CPLD每隔8 ms定時(shí)產(chǎn)生。當(dāng)接收到CPLD的中斷信號(hào)時(shí)，ARM把粗插補(bǔ)計(jì)算結(jié)果寫入CPLD的固定地址。CPLD從固定地址讀取數(shù)據(jù)計(jì)算脈沖數(shù)，輸出脈沖信號(hào)，完成運(yùn)動(dòng)控制。本系統(tǒng)的中斷控制分成3部分：Windows CE中斷服務(wù)、應(yīng)用程序中斷響應(yīng)程序和CPLD程序。
2.1 Windows CE中斷服務(wù)
Windows CE是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其實(shí)時(shí)性體現(xiàn)在6個(gè)方面：(1)具有256個(gè)線程優(yōu)先級(jí)；(2)應(yīng)用程序可以控制提供給每個(gè)線程的時(shí)間片，計(jì)時(shí)器精確到1 ms；(3)優(yōu)先級(jí)倒置處理機(jī)制；(4)支持嵌套中斷；(5)中斷延遲時(shí)間短；(6)更細(xì)粒度的內(nèi)存管理控制[4-5]。Windows CE以上機(jī)制特別是中斷體系保證了數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
Windows CE的中斷體系包括核心態(tài)的中斷例程ISR和用戶態(tài)的中斷線程IST兩部分。ISR主要響應(yīng)中斷請(qǐng)求，識(shí)別中斷源，給操作系統(tǒng)內(nèi)核返回相應(yīng)的中斷標(biāo)識(shí)。ISR具有最高的優(yōu)先級(jí)。本系統(tǒng)采用ISR完成中斷服務(wù)。進(jìn)入ISR以后，系統(tǒng)中所有的同級(jí)或下級(jí)中斷均被屏蔽。為了不降低系統(tǒng)執(zhí)行多任務(wù)的性能，ISR應(yīng)非常短小精干，以使其他中斷也能夠獲得及時(shí)的服務(wù)。
定制Windows CE中斷服務(wù)程序步驟如下：
(1)在操作系統(tǒng)內(nèi)核中注冊(cè)事件hMotor，用于操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序中斷響應(yīng)的同步。
(2)在操作系統(tǒng)內(nèi)核中注冊(cè)插補(bǔ)中斷標(biāo)識(shí)號(hào)SYSINTR_PWM_READY。
(3)調(diào)用函數(shù)InterruptInitialize，使中斷請(qǐng)求和hMotor事件掛鉤，當(dāng)接收到中斷請(qǐng)求時(shí)操作系統(tǒng)自動(dòng)將事件置為有信號(hào)，退出ISR時(shí)將事件置為無信號(hào)。
(4)編寫ISR程序。ISR程序框架如下：
if(IntPendVal==INTSRC_EINT1)//判斷中斷是否來自CPLD
{
s2410INT|=BIT_EINT1；//清除中斷請(qǐng)求
if(PWM_FINISH==TRUE)
return(SYSINTR_PWM_READY)；
//向內(nèi)核返回中斷標(biāo)識(shí)號(hào)
rADDR=*pulse_buf；//向CPLD寫數(shù)據(jù)
}
當(dāng)ARM接收到由CPLD發(fā)出的中斷請(qǐng)求，操作系統(tǒng)將調(diào)用ISR，并將hMotor事件置為有信號(hào)。在ISR中將粗插補(bǔ)計(jì)算結(jié)果寫入CPLD，并向操作系統(tǒng)內(nèi)核返回中斷標(biāo)識(shí)號(hào)。退出ISR時(shí)，操作系統(tǒng)將hMotor事件置為無信號(hào)。整個(gè)ISR程序非常精短，保證了系統(tǒng)其他程序的正常運(yùn)行。
2.2 應(yīng)用程序中斷響應(yīng)程序
應(yīng)用程序無法直接獲知是否有中斷請(qǐng)求。利用hMotor事件使操作系統(tǒng)中斷服務(wù)與應(yīng)用程序中斷響應(yīng)程序達(dá)到同步。通過調(diào)用WaitForSingleObject函數(shù)查詢?cè)撌录顟B(tài)，應(yīng)用程序可獲知是否有中斷請(qǐng)求并及時(shí)響應(yīng)中斷。中斷響應(yīng)程序框架結(jié)構(gòu)如下：
while(!IsEnd)//判斷插補(bǔ)是否結(jié)束
{
……//粗插補(bǔ)計(jì)算
WaitForSingleObject(hMotor，INFINITE)；//無限期等待
//hMotor事件狀態(tài)變?yōu)橛行盘?hào)
DeviceIoControl()；//向操作系統(tǒng)傳遞
//粗插補(bǔ)計(jì)算結(jié)果，即位置增量
}
插補(bǔ)線程啟動(dòng)后進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，調(diào)用WaitForSingleObject函數(shù)阻塞插補(bǔ)線程，等待hMotor事件狀態(tài)變?yōu)橛行盘?hào)。當(dāng)操作系統(tǒng)接收到中斷請(qǐng)求后調(diào)度ISR，將事件置為有信號(hào)。此時(shí)WaitForSingleObject函數(shù)被返回，插補(bǔ)線程阻塞狀態(tài)解除。通過調(diào)用DeviceIoControl函數(shù)將插補(bǔ)結(jié)果傳遞到驅(qū)動(dòng)層，再由操作系統(tǒng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到CPLD。插補(bǔ)運(yùn)算時(shí)間遠(yuǎn)小于插補(bǔ)周期，因此插補(bǔ)線程經(jīng)常處于阻塞狀態(tài)。WaitForSingleObject函數(shù)雖然會(huì)阻塞當(dāng)前線程，但是不會(huì)占用任何CPU資源，因此即使插補(bǔ)線程優(yōu)先級(jí)較高，當(dāng)其被阻塞時(shí)也不會(huì)影響其他線程的正常運(yùn)行。