基于C8051和μC／OS-Ⅱ的数控机床嵌入式执行控制器实现

在数控机床系统中，功能模块可分为两大部分：一部分是实时性要求不高的功能，例如人机界面交互管理等；另一部分是实时性要求高的功能，主要有伺服控制、插补计算等。根据这一特点，该系统采用两级控制结构，利用IPC丰富的软件资源，提供图形化的人机交互环境；利用嵌入式执行控制器的高实时性和稳定性，实现快速、可靠的控制，充分发挥了二者的优点。两级之间用串行口进行实时通信。本文主要介绍嵌入式执行控制器的实现。

1 数控机床系统硬件结构
数控机床系统硬件结构如图1所示，IPC作为上位机，安装有专用软件，实现人机交互；C8051020芯片及其外围电路构成的嵌入式执行控制器作为下位机，负责实时、可靠的控制。执行控制器通过串行口接收上位机的命令信息(包括：插补命令、开关量控制命令)，再将这些信息转换成控制信号输送给相应的执行部件。例如，将插补命令转换成一连串的插补信号，输送给电机控制部件；将开关量控制命令转换成输出信号，通过I／O驱动隔离接口板输送给相应的开关控制器。执行控制器同时还有2个检测任务：一个是刀具是否运动到各轴限位点的检测，另一个是间隙电压的检测。这两个信息将为运动时的自动调节控制提供依据。执行控制器还负责将运行中的状态信息组装成帧，实时地传送给上位机。

2 μC／OS-Ⅱ在C8051F020上的移植
要使用μC／OS-Ⅱ，首先就必须把这个内核成功地移植到C805lF020上。μC／OS-Ⅱ的移植主要是对OS_CPU．H，OS_CPU_A．ASM和OS_CPU_ C．C三个文件进行修改，下面就具体的修改内容做介绍。
2．1 OS_CPU．H文件的修改
OS_CPU．H包括了用#define定义的与处理器相关的常量、宏和类型定义。其中，需要修改的部分如下：




2．2 OS_CPU_A．ASM文件的修改
该文件包含4个汇编语言函数。
(1)OSStartHighRdy()函数在多任务系统启动函数OSStart()中调用。作用是设置系统运行标志位OSRunning=TRUE；将就绪表中最高优先级任务的栈指针Load到SP中，并强制中断返回。
(2)OSCtxSw()函数是在任务级切换函数中调用的。作用是保存当前任务的环境变量，将当前SP存入任务TCB中，载入就绪最高优先级任务的SP，恢复就绪最高优先级任务的环境变量，中断返回。这样就完成了任务级的切换。
(3)OSIntCtxSw()在退出中断服务函数OSIntExit()中调用。作用是实现中断级任务切换。
(4)OSTicklSR()系统时钟节拍中断服务函数，其周期的大小决定了内核所能给应用系统提供的最小时间间隔服务。该中断由C8051F020的TO定时器完成，设置定时时间为20 ms。修改代码如下：