基于uCOS_III的教育机器人系统设计_何康华

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第 ３９ 卷
电 子 测 量 技 术
３．２ 串 口 屏 的 开 发 教育机器人的人机界面载体选用淘晶驰公司生产的
ＴＪＣ４８３２Ｔ０３５＿０１１Ｘ 型号 显 示 屏，该 款 显 示 屏 特 点 是 可 接 受 纯 字 符 串 指 令 ，方 便 阅 读 与 调 试 ，控 件 属 性 赋 值 支 持 简 易 运算，大大提高 了 开 发 效 率。 串 口 屏 的 外 部 接 口 有 ＶＣＣ、 ＧＮＤ、ＴＸ 和 ＲＸ ４个引脚。其中 ＶＣＣ 是由 ＰＣＢ 板的电源 通过电压转换芯片由８．４Ｖ 转换成５Ｖ 来提 供，ＴＸ 和 ＲＸ 分别连接 ＳＴＭ３２芯片的串口１的 ＰＡ１０和 ＰＡ９引脚。
在嵌入式操作系统中，会 把 一 个 大 的 工 程 分 成 若 干 个 模 块 ，然 后 再 划 分 成 足 够 小 的 模 块 ，并 且 可 以 使 用 一 个 函 数 来完成，这就是 ｕＣＯＳ－ＩＩＩ中所谓的任务。由 图 ３ 程 序 流 程 图知道系统有 ＬＥＤ 状态灯、蜂鸣器控制、ＲＴＣ、电池电量检 测、电机正反转向、电机调速、ＦＬＡＳＨ 文件名读取、串 口 屏 通信等 任 务。 其 中 串 口 发 送 接 收 完 成 中 断 服 务 函 数 ＵＳＡＲＴ１＿ＩＲＱＨａｎｄｌｅｒ可 随 时 打 断 所 有 任 务 的 执 行，按 字 节接收 串 口 屏 指 令 帧 并 发 送 至 接 收 指 令 缓 存 区，使 用 ＨＭＩＳｅｎｄｓ函 数 将 发 送 缓 冲 区 内 数 据 发 送 至 串 口 显 示 。
２ 系 统 硬 件
教育机器人平台的设计一般以一个单片机作为主控芯 片，所有的开发围绕 着 这 个 主 控 芯 片 展 开。 底 层 尽 量 发 挥 主控芯片各个模块的 功 能，上 层 软 件 平 台 编 制 的 程 序 编 译 后，通过串行口下载到底层主控 芯 片 中 实 现 。 ［５－７］ 采 用 一 般 的芯片很 难 做 到 多 功 能 的 实 现，所 以 本 系 统 设 计 是 采 用 ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＥＴ６为 主 控 芯 片，其 ８０ 个 Ｉ／Ｏ 口 方 便 教 育 机 器 人 多 功 能 的 实 现 。 该 芯 片 性 价 比 较 高 ，功 耗 低 ，工 作 频 率最高达７２ ＭＨｚ，具有５１２ｋＦｌａｓｈ，６４ｋＳＲＡＭ，８个定时 器，５个串口等，丰富的外设满足 了 系 统 设 计 要 求。显 示 模 块采用３．５寸串口屏来实现人机界面交互，８Ｍ ＦＬＡＳＨ 用 来存储上位机传输来的程序，电 机 驱动 采 用 ２ 个 ＤＲＶ８８３３ 芯片来控制４个电 机 的 正 反 转 以 及 ＰＷＭ 调 速，蜂 鸣 器 完 成系统提示音的 功 能，ＣＲ１２２０完 成 系 统 ＲＴＣ 实 时 时 钟 的 功能。硬件系统结构框图如图２所示。
串口屏的开发流程包括２ 个 步 骤［１１］：１）人 机 界 面 美 工 设计；２）串口屏工程 文 件 设 计。人 机 界 面 的 设 计 主 要 采 用 Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ进行背景 设 计、按 钮 设 计、滑 块 设 计、菜 单 设 计 等。串口屏工程文件设计主要包括串口驱动和中断函数的 编 写 ，串 口 屏 相 关 的 驱 动 文 件 只 有 ２ 个 。
ｕＣＯＳ－ＩＩＩ为主控制器的操 作 系 统，管 理 教 育 机 器 人 的 所 有 任务。
在 ｕＣＯＳ 官 网 上 下 载 源 码，下 载 并 解 压 缩 后，在 Ｓｏｆｔｗａｒｅ文件夹中有两个子 文 件 夹。 在 Ｐｏｒｔｓ文 件 夹 中 分 别修改好 ｏｓ＿ｃｐｕ．ｈ，ｏｓ＿ｃｐｕ＿ａ．ａｓｍ 和ｏｓ＿ｃｐｕ＿ｃ．ｃ，ｏｓ＿ｄｂｇ．ｃ， 再修改启动文件。修改完毕后，就 可 以 通 过 ｏｓ＿ｃｆｇ．ｈ 来 裁 剪内核，把不需要的 系 统 服 务 裁 剪 掉 以 节 省 系 统 资 源。 裁 剪完毕后，就可编写一个多个 ＬＥＤ 不同频率闪烁的任务来 检验时候移植成功。
嵌入式技术
电 子 测 量 技 术 ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
第３９卷 第１０期 ２０１６ 年 １０ 月
基 于 ｕＣＯＳ－ＩＩＩ的 教 育 机 器 人 系 统 设 计
何康华 雷阳阳
（上 海 工 程 技 术 大 学 机 械 工 程 学 院 上 海 ２０１６２０）
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｅｄｕｃａｔｉｏｎａｌ ｒｏｂｏｔｓ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｕＣＯＳ－ＩＩＩ
Ｈｅ Ｋａｎｇｈｕａ Ｌｅｉ Ｙａｎｇｙａｎｇ （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１６２０，Ｃｈｉｎａ）
１）文件 ＨＭＩ＿ｕｓａｒｔ．ｃ中，描 述 了 与 硬 件 有 关 的 串 口 初Baidu Nhomakorabea始化函数包含三个函数分别是：
Ｕｓａｒｔ＿ｉｎｉｔ（ｕ３２ｂｏｕｎｄ）；串 口 初 始 化 函 数 ＨＭＩＳｅｎｄｂ（ｕ８ｋ）；字 节 发 送 函 数 ＨＭＩＳｅｎｄｓ（ｃｈａｒ ＊ｂｕｆ１）；字 符 串 发 送 函 数 ２）文件 ｃｍｄ．ｃ中，描述 了串 口接 收数据 放 入 先入先出 （ＦＩＦＯ）数 据 缓 冲 区 中 的 描 述 文 件 。 串 口 屏 的 指 令 结 束 符 为 “０ｘｆｆ ０ｘｆｆ ０ｘｆｆ”３ 个 字 节 ，所 有 指令名以及参数全部使 用 ＡＳＣＩＩ字 符 串 格 式，且 指 令 名 使 用小写字母。用户使用 产 生 的 触 摸 事 件，通 过 串 口 中 断 传 递给芯片每个控件的 属 性 值，芯 片 再 通 过 串 口 中 断 对 串 口 屏相应控件的属性进行改变。 串口屏的界面部分 由 主 界 面、文 件 界 面、设 置 界 面、声 音 界 面 、亮 度 界 面 、电 机 界 面 和 测 试 界 面 。 １）主界面为开机后显 示 的 界 面，显 示 其 余 ６ 个 分 界 面 的 图 标 ，点 击 不 同 的 图 标 进 入 不 同 的 分 界 面 ，每 个 界 面 顶 部 均有时间和电量的显 示；声 音 和 亮 度 界 面 分 别 用 来 调 节 蜂 鸣器的音量和屏幕背光的亮度。 ２）文件界面能显示上位机下载到控制器 ＦＬＡＳＨ 里的 程序文件目录，在此界面每一个程序文件都是一个 按钮，可 以 进 行 点 击 执 行 ，执 行 后 跳 转 到 正 在 运 行 界 面 ，点 击 屏 幕 任 意位置即可返回文件界面。 ３）电机界面能够设 置 ４ 个 电 机 转 向 以 及 电 机 的 转 速， 电机的转速通过滑块 控 件 进 行 调 节，滑 块 控 件 将 速 度 分 成 了１００ 档，每 个 滑 块 控 件 的 值 实 时 显 示 在 对 应 的 文 本 控 件中。 ４）测试界面能够读 取 传 感 器 的 数 值，由 于 每 个 预 留Ｉ／ Ｏ 口是固定的，并且系统软件也是预先编号的，因 此要求在 测试界面读取的传感 器 必 须 插 接 在 对 应 的 接 口 上，才 能 显 示出正确的数值。 ３．３ 文件系统以及 ＵＳＢ 驱动的移植 教育机器人扩展功能 的 运 行，需 要 学 生 在 上 位 机 软 件 上编写程序，然 后 下 载 到 教 育 机 器 人 控 制 器 中 才 能 实 现。 因此，移植一个文件系 统 来 管 理 上 位 机 下 载 的 程 序 文 件 是
教育机器人一般由控 制 器、机 械 结 构 和 上 位 机 编 程 软 件３部分组成，本设计 的 教 育 机 器 人 系 统 是 基 于 控 制 器 设
计的。控制器的外形如图１所示。控制器能够下载上位机 编程软件的执行程序，并对连 接 控 制 器 的 传 感 器 和 电 机 进 行控制 ，能够 实 现 教 育 机 器 人 循 迹 避 障 、熄 灭 火 源 、测 量 环境参数和起重运输物品等功能。本设计在软件上采用
１ 引 言
随着人们对机器人 技 术 智 能 化 本 质 知 识 的 加 深，机 器 人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合 这些领域的应用特点，人们发展了各式各样的具有 感知、决 策 、行 动 和 交 互 能 力 的 特 种 机 器 人 和 各 种 智 能 机 器 ，教 育 机 器人的出现集成了当 代 科 技 发 展 的 众 多 成 果，是 培 养 跨 学 科、创新性人才的有效手段 。 ［１－２］ 目前，机 器 人 教 育 对 初、高 中学生的 认 知 发 展 作 用 越 来 越 明 显 。 ［３］ 为 了 更 好 的 满 足 初、高中学生的教学需 求，本 文 的 教 育 机 器 人 针 对 初、高 中 学生的思维特征研发。从 市 场 规 模 看，中 国 具 有 世 界 上 最 大规模的在校人口，我国教育事 业对 教育 机 器 人的需求 将 形成一个巨大的市场，发 展 教 育 机 器 人 产 业 具 有 广 阔 的 市 场前景 。 ［４］
摘 要：为了保障教育机器人的多功能的实现及其系统的稳定运行，设计 了 一 种 基 于 实 时 操 作 系 统 ｕＣＯＳ－ＩＩＩ的 教 育 机器人系统。系统基于 Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３内核的微控制器 ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＥＴ６硬件平台，采用 ｕＣＯＳ－ＩＩＩ系统实现教育机器人 与串口屏的数据通信，实现了教育机器人文件系统、电机 实 时 控 制、传 感 器 数 据 测 量 和 显 示 等 功 能 。 文 章 详 细 介 绍 了 系统的总体构成，以及软硬件实现方法；实验表明，采 用 ｕＣＯＳ－ＩＩＩ对 教 育 机 器 人 系 统 进 行 多 任 务 管 理 ，增 强 了 系 统 的 稳 定 性 ，提 高 了 系 统 的 实 时 性 。 关 键 词 ：ｕＣＯＳ－ＩＩＩ；教 育 机 器 人 ；串 口 屏 ；文 件 系 统 中 图 分 类 号 ：ＴＰ２４２；ＴＮ４０９ 文 献 标 识 码 ：Ａ 国 家 标 准 学 科 分 类 代 码 ：５１０．８０５０
图 ３ 程 序 流 程
系统 上 电 后，首 先 对 ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＥＴ６ 硬 件 初 始 化， 包括外部引脚 ＧＰＩＯ 配 置、定时器配置、Ｓｙｓｔｉｃｋ配置、中 断 配置、串口配置、ＳＰＩ通 信 配 置 等，然 后 初 始 化 ｕＣＯＳ－ＩＩＩ内 核 ，其 中 包 括 初 始 化 系 统 变 量 、就 绪 列 表 、空 列 表 、空 事 件 列 表 、事 件 标 志 结 构 体 、内 存 管 理 、消 息 队 列 结 构 体 、创 建 空 闲 任务、创建 统 计 任 务、时 钟 管 理 等。ｕＣＯＳ－ＩＩＩ系 统 就 会 启 动 ，任 务 开 始 调 度 运 行 。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ ｅｄｕｃａｔｉｏｎａｌ ｒｏｂｏｔｓ ａｃｈｉｅｖｅ ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ａｎｄ ｗｉｔｈ ａ ｓｔａｂｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｒｕｎｎｉｎｇ， ｔｈｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａ ｅｄｕｃａｔｉｏｎａｌ ｒｏｂｏｔｓ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｕＣＯＳ－ＩＩＩ．Ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｅｍｐｌｏｙｓ ａ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＥＴ６ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３，ｅｄｕｃａｔｉｏｎａｌ ｒｏｂｏｔｓ ｃａｎ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅ ｗｉｔｈ ｓｅｒｉａｌ ｓｃｒｅｅｎ ｖｉａ ｕＣＯＳ－ＩＩＩ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ａ ｆｉｌｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｓｅｎｓｏｒ ｄａｔａ，ｍｏｔｏｒ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｅｔｃ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｎ ｄｅａｉｌ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗｄ ｔｈａｔ ｍｕｌｔｉ－ｔａｓｋ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｕＣＯＳ－ＩＩＩ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕＣＯＳ－ＩＩＩ；ｅｄｕｃａｔｉｏｎａｌ ｒｏｂｏｔｓ；ｓｅｒｉａｌ ｓｃｒｅｅｎ；ｆｉｌｅ ｓｙｓｔｅｍ
图 １ 控 制 器 外 形
收 稿 日 期 ：２０１６－０７
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何康华 等：基于 ｕＣＯＳ－ＩＩＩ的教育机器人系统设计
第 １０ 期
ｕＣＯＳ－ＩＩＩ实时操作系统和 串 口 屏 进 行 人 机 交 互 界 面 开 发， 实现了教育机器人文件系统、传感器数据测量和显 示、电机 实时控制等。 硬 件 上 采 用 性 能 优 越 的 ＳＴＭ３２ 芯 片，提 高 了系统整体性能和可靠性。串口屏由于其简单的通讯接口 和友好的多功能触摸 界 面 的 集 成 化 设 计，简 化 了 系 统 的 软 件 设 计 和 硬 件 设 计 ，大 大 节 约 了 成 本 。
图 ２ 硬 件 系 统 结 构 框 图
３ 系 统 软 件 设 计
３．１ ｕＣＯＳ实 时 操 作 系 统 ｕＣＯＳ－ＩＩＩ是一个 可 裁 剪、可 固 化、可 剥 夺 型 的 多 任 务
内 核 ，没 有 任 务 数 目 限 制 。ｕＣＯＳ－ＩＩＩ是 第 三 代 的 内 核 ，提 供 了所有现代实时内核 所 需 要 的 功 能，包 括 资 源 管 理、同 步、 任务通信等。它的内核 具 有 很 好 的 移 植 性，对 硬 件 性 能 要 求不高，对科研 教 学 完 全 免 费 的 实 时 系 统，内 核 源 代 码 公 开。在移植的过程中，只有跟 ＣＰＵ 芯片内核有关的模块需 要用汇编代码来编写，其相关代码很 少，其 余 部 分都是用 Ｃ 语言编写，可读性 很 强。 内 核 最 小 可 以 裁 剪 到 ４ ＫＢ，消 耗 程 序 存 储 器 资 源 很 少 ，具 有 高 效 的 执 行 效 率 ，任 务 的 切 换 达 到实时性 。 ［８－１０］ 因 为 以 上 优 点，在 教 育 机 器 人 设 计 中 采 用