基于DSP的穩(wěn)定平臺(tái)設(shè)計(jì)

姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)采用三陀螺、三加速度計(jì)組合的方式，通過(guò)SPI接口與高速DSP處理器TMS320F28335相連接，用于在兩者之間傳輸數(shù)字信息。其中共有4線相連，分別為：串行時(shí)鐘線SCLK、主機(jī)輸入／從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出／從機(jī)輸人數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機(jī)選擇線SS。SPI為全雙工通信，具有傳輸速率快，簡(jiǎn)單高效等優(yōu)點(diǎn)。三陀螺、三加速度計(jì)均采用3．3 V電壓供電，由系統(tǒng)電源提供。系統(tǒng)時(shí)鐘采用30 MHz的外部晶體給CPU提供時(shí)鐘，并通過(guò)使能片上PLL電路及控制寄存器的修改得到所需的時(shí)鐘頻率。
伺服控制系統(tǒng)采用TMS320F28335作為核心控制器。F28335有12個(gè)增強(qiáng)型脈寬調(diào)制模塊，通過(guò)增強(qiáng)型脈寬調(diào)制模塊ePWM的使用，從而將姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的具體姿態(tài)角信息轉(zhuǎn)換為不同占空比的方波。由于同時(shí)存在橫滾角及俯仰角姿態(tài)信息，必須建立橫滾伺服控制系統(tǒng)、俯仰伺服控制系統(tǒng)。橫滾及俯仰方向上的方波經(jīng)PWM功率放大器放大后，分別轉(zhuǎn)換為橫搖驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)及縱搖驅(qū)動(dòng)。兩路驅(qū)動(dòng)可采用不同頻率的方波，控制伺服電機(jī)產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)速，在一定時(shí)間內(nèi)，將姿態(tài)角信息轉(zhuǎn)換為滾珠絲杠相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到平臺(tái)穩(wěn)定的目的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
由于穩(wěn)定平臺(tái)采用并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)，因此結(jié)構(gòu)在橫搖、縱搖兩個(gè)系統(tǒng)上采用并發(fā)執(zhí)行的方式。對(duì)于簡(jiǎn)單多任務(wù)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，可采用嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ?qū)ο到y(tǒng)多任務(wù)進(jìn)行管理和調(diào)度，以滿足并發(fā)控制的要求。
3．1 μC／OS-Ⅱ
在嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域，μC／OS-Ⅱ以其源代碼開放、研究免費(fèi)、強(qiáng)實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。它是一種基于優(yōu)先級(jí)的硬實(shí)時(shí)可剝奪型多任務(wù)內(nèi)核，在多任務(wù)管理上表現(xiàn)卓越，而且在可移植性、裁剪等方面也具有優(yōu)越的性能。已有成千上萬(wàn)的開發(fā)者把它成功地應(yīng)用于各種系統(tǒng)，安全性和穩(wěn)定性也已經(jīng)得到認(rèn)證，現(xiàn)已經(jīng)通過(guò)美國(guó)FAA認(rèn)證。因此將μC／OS-Ⅱ應(yīng)用于多任務(wù)管理的穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)是非常合適的。
3．2 多任務(wù)管理
穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)主要執(zhí)行以下任務(wù)：DSP硬件初始化、姿態(tài)測(cè)量、姿態(tài)數(shù)據(jù)處理、自適應(yīng)PID解算、ePWM模塊、橫搖驅(qū)動(dòng)和縱搖驅(qū)動(dòng)。在μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)管理下，任務(wù)管理分為：DSP硬件初始化、μC／OS-Ⅱ系統(tǒng)初始化、定時(shí)中斷、橫搖調(diào)整和縱搖調(diào)整。

操作系統(tǒng)第一步執(zhí)行DSP硬件的初始化工作，包括設(shè)置系統(tǒng)的中斷向量、初始化數(shù)字I／O、串行通信接口SPI、定時(shí)器模塊等。完成后將開始操作系統(tǒng)的初始化，通過(guò)調(diào)用OSIint()完成操作系統(tǒng)的配置及數(shù)據(jù)的初始化。接著通過(guò)調(diào)用任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)OSTaskCreat()函數(shù)，依次創(chuàng)建定時(shí)中斷、橫搖調(diào)整和縱搖調(diào)整3個(gè)任務(wù)。調(diào)用OSStart()最終啟動(dòng)多任務(wù)運(yùn)行。
各任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)定從高到低依次為：橫搖調(diào)整、縱搖調(diào)整、定時(shí)中斷，各任務(wù)間通過(guò)消息郵箱機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)任務(wù)間的同步。開始運(yùn)行時(shí)，通過(guò)DSP定時(shí)器每50 ms一個(gè)周期的定時(shí)中斷，使得定時(shí)中斷任務(wù)就緒運(yùn)行，該任務(wù)通過(guò)消息郵箱機(jī)制使得橫搖調(diào)整及縱搖調(diào)整任務(wù)處于就緒態(tài)，并同時(shí)掛起等待下一個(gè)定時(shí)中斷。橫搖調(diào)整及縱搖調(diào)整主要完成的工作有姿態(tài)測(cè)量、姿態(tài)數(shù)據(jù)處理、自適應(yīng)PID解算、ePWM模塊、橫搖驅(qū)動(dòng)和縱搖驅(qū)動(dòng)。橫搖調(diào)整同縱搖調(diào)整相似，最后控制的相應(yīng)驅(qū)動(dòng)分別為橫搖驅(qū)動(dòng)、縱搖驅(qū)動(dòng)。其中縱搖調(diào)整任務(wù)流程如圖3所示：