摘 要： 激光振境掃描技術(shù)已廣泛應(yīng)用于激光打標(biāo)、激光快速成型、物體輪廓提取、激光舞臺(tái)等諸多領(lǐng)域，并以其優(yōu)良的矢量掃描特性在機(jī)場(chǎng)泊位引導(dǎo)系統(tǒng)、車輛防撞體系、車場(chǎng)停泊系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。在激光掃描系統(tǒng)中，需要實(shí)時(shí)掌握掃描物體的狀態(tài)，處理大量的激光測(cè)距數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)通過在AVR32微控制器上移植μC/OS-II系統(tǒng)，完成激光掃描系統(tǒng)的控制和激光數(shù)據(jù)的處理。本文介紹了激光掃描系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、μC/OS-II系統(tǒng)在AVR32上的移植和μC/OS-II下軟件的編寫。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，證明該設(shè)計(jì)能很好地完成對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤等功能并且運(yùn)行效率得到有效提高。

　　關(guān)鍵詞： AVR32；μC/OS-II；嵌入式操作系統(tǒng)；激光掃描

0 引言

　　本設(shè)計(jì)利用激光振鏡掃描[1-4]技術(shù)，通過AVR32控制，完成對(duì)靜止物體和動(dòng)態(tài)物體的掃描。針對(duì)硬件資源和軟件設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)裁剪了μC/OS-II操作系統(tǒng)，移植到AVR32上，通過在μC/OS-II系統(tǒng)下的編程，完成激光掃描系統(tǒng)的掃描和控制。

1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

　　激光振鏡掃描技術(shù)是指通過微控制器MCU控制水平方向和垂直方向的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，讓激光測(cè)距儀掃描。通過激光測(cè)距儀測(cè)得的距離數(shù)據(jù)，分析物體的狀態(tài)。系統(tǒng)組成如圖1所示。

　　本設(shè)計(jì)選用的AVR32是一款32位的高性能處理器，選用步距角為1.8°的P850步進(jìn)電機(jī)，實(shí)際工作中可根據(jù)精度要求對(duì)步距角進(jìn)行細(xì)分。設(shè)計(jì)中令電機(jī)16細(xì)分，即電機(jī)每轉(zhuǎn)一步，轉(zhuǎn)動(dòng)0.1125°。選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器escap36。該驅(qū)動(dòng)器具有RS485接口，可實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的設(shè)定和控制，并且能根據(jù)實(shí)際工作對(duì)電機(jī)精度的要求，實(shí)現(xiàn)電機(jī)步距角的1~64的細(xì)分。

　　此設(shè)計(jì)中所選用的邦納LT300激光測(cè)距儀包含紅色瞄準(zhǔn)激光。該款激光測(cè)距儀激光準(zhǔn)直性好，測(cè)量時(shí)間短，具有可編程的串行口以及數(shù)字量和模擬量輸出，測(cè)量范圍大，受環(huán)境干擾小。

2 μC/OS-II移植

　　2.1 μC/OS-II文件結(jié)構(gòu)

　　移植在AVR32后的μC/OS-II的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　μC/OS-II是一種具有可剝奪實(shí)時(shí)內(nèi)核的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[5-7], 而且是免費(fèi)公開源代碼，結(jié)構(gòu)小巧。其內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度與管理、時(shí)間管理、任務(wù)間同步與通信、內(nèi)存管理和中斷服務(wù)等功能, 具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。最小內(nèi)核可編譯至 2 KB, 適合小型控制系統(tǒng)。與 CPU 硬件相關(guān)的部分用匯編語言編寫，其他絕大部分代碼采用 C 語言編寫。μC/OS-II在硬件平臺(tái)上的移植主要分為兩大步驟：μC/OS-II中與處理器相關(guān)的程序的修改、應(yīng)用程序的添加。

　　2.2 移植代碼

　　移植μC/OS-II操作系統(tǒng)主要包括OS_CPU.H、OS_CPU_A.S、OS_CPU_C.C三個(gè)文件。其中OS_CPU.H主要定義了處理器中的數(shù)據(jù)類型，以及與處理器相關(guān)的宏定義，例如全局中斷的開關(guān)等。OS_CPU_A.S文件中代碼是實(shí)現(xiàn)上下文切換以及中斷實(shí)現(xiàn)的具體代碼，這些代碼主要負(fù)責(zé)保護(hù)好當(dāng)前任務(wù)現(xiàn)場(chǎng)，并且將程序指針和堆棧指針指向新的任務(wù)區(qū)域，是整個(gè)移植的關(guān)鍵部分。OS_CPU_C.C集中了處理器相關(guān)的C代碼。

　　本文以O(shè)SCtxSw()函數(shù)、OSCtxRestore()函數(shù)為例。OSCtxSw()函數(shù)用來使一個(gè)更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)處于就緒狀態(tài)，它所需做的具體工作主要有以下幾個(gè)方面：保存當(dāng)前CPU寄存器的狀態(tài)、保護(hù)當(dāng)前任務(wù)棧的狀態(tài)以及更新程序指針。其偽代碼如下：

　　void OSCtxSw (void)

　　{ /*保存寄存器*/

　　Save processor registers;

　　/*保存當(dāng)前任務(wù)棧地址*/

　　OSTCBCur->OSTCBStkPtr = SP;

　　/*任務(wù)切換的鉤子函數(shù)（可以省略）*/

　　OSTaskSwHook();

　　/*更高優(yōu)先級(jí)任務(wù)*/

　　OSTCBCur=OSTCBHighRdy;

　　OSPrioCur = OSPrioHighRdy;

　　/*完成任務(wù)切換*/

　　OSCtxRestore(OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr)

　　}

　　OSCtxRestore()函數(shù)是任務(wù)級(jí)的任務(wù)切換函數(shù)，具體工作主要是更新鏈接寄存器LR并將堆棧指針指向新的任務(wù)棧，具體實(shí)現(xiàn)如下：

　　OSCtxRestore:

　　LDM R12, R0-R7 /*恢復(fù)R0-R7*/

　　LD.D R8, R12[14*4] /*恢復(fù)R8-R9*/

　　LD.D R10, R12[8*4] /*恢復(fù)PC、SR*/

　　ST.D R12[14*4], R10 /*存儲(chǔ)PC、SR*/

　　SUB R12, -10*4 /*將指針指向 LR*/

　　UB SP, R12, -4*4 /*恢復(fù)棧指針*/

　　LDM R12, R10-R12, LR恢復(fù)R10-R12,LR*/

　　RETS /*從SCALL返回*/

　　2.3 板級(jí)支持包BSP的編寫

　　本次設(shè)計(jì)是基于激光掃描系統(tǒng)的控制板，編寫板級(jí)支持包BSP[8]將有助于對(duì)底層的封裝，便于上層用戶程序的開發(fā)。根據(jù)激光掃描系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)中對(duì)AVR32 UC3系列編寫了串口USART、GPIO口、時(shí)鐘Timer以及中斷的BSP。下面以GPIO服務(wù)函數(shù)為例進(jìn)行介紹。

　　AVR32中每個(gè)I/O口可以實(shí)現(xiàn)多達(dá)4個(gè)外部設(shè)備接口。當(dāng)一個(gè)I/O口被指定為外部接口時(shí)，該I/O口就為該外部設(shè)備控制。通過寄存器PMR0和PMR1來決定4個(gè)外部設(shè)備中哪個(gè)設(shè)備來控制該I/O口。當(dāng)一個(gè)I/O口被指定為普通的I/O時(shí)，寄存器ODER的值決定了該I/O引腳的值。因此，編寫函數(shù)BSP_GPIO_SetFnct()來封裝與引腳配置相關(guān)的寄存器，從而配置一個(gè)引腳的功能，而不用每次都去直接操作寄存器。AVR32的端口與引腳的GPIO口號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系如式（1）和式（2）所示：

　　GPIO port= floor((GPIO number) / 32) （1）

　　GPIO pin = (GPIO number) mod 32 （2）

　　其中，式（1）表示取GPIO口號(hào)除以32的商作為該GPIO口所在的端口號(hào)；式（2）表示取GPIO口號(hào)除以32的余商作為該GPIO口所在的端口里的第幾位。

　　函數(shù)BSP_GPIO_SetFnct()的代碼如下：

　　void BSP_GPIO_SetFnct (CPU_INT16U pin, CPU_INT08U fnct)

　　{

　　volatile avr32_gpio_port_t *gpio_port;

　　/* 得到引腳號(hào)*/

　　gpio_port= &AVR32_GPIO.port[pin/32];

　　switch (fnct) {

　　case 0: /* 若選擇引腳的外部設(shè)備功能0*/

　　gpio_port->pmr0c = 1 << (pin % 32);

　　gpio_port->pmr1c = 1 << (pin % 32);

　　break;

　　case 1: /* 若選擇引腳的外部設(shè)備功能1*/

　　gpio_port->pmr0s = 1 << (pin % 32);

　　gpio_port->pmr1c = 1 << (pin % 32);

　　break;

　　case 2: /* 若選擇引腳的外部設(shè)備功能2*/

　　gpio_port->pmr0c = 1 << (pin % 32);

　　gpio_port->pmr1s = 1 << (pin % 32);

　　break;

　　case 3: /* 若選擇引腳的外部設(shè)備功能3*/

　　gpio_port->pmr0s = 1 << (pin % 32);

　　gpio_port->pmr1s = 1 << (pin % 32);

　　break;

　　}

　　/*將引腳設(shè)置為普通的GPIO口 */

　　gpio_port->gperc = 1 << (pin % 32);

　　}

　　在設(shè)置了GPIO口的功能之后，編寫3個(gè)函數(shù)，可以根據(jù)需要改變引腳的值，如表1所示。

3 μC/OS-II下應(yīng)用程序的編寫

　　3.1 μC/OS-II系統(tǒng)的裁剪

　　在編寫應(yīng)用程序之前，需要根據(jù)實(shí)際所需資源對(duì)μC/OS-II系統(tǒng)進(jìn)行裁剪[9]，使編譯生成的操作系統(tǒng)所占的系統(tǒng)內(nèi)存達(dá)到最小。頭文件OS_CFG.H聲明相應(yīng)功能的配置常量，通過μC/OS-II中的條件編譯，生成所需要的功能函數(shù)。函數(shù)中聲明的配置常量如表2所示。

　　3.2 應(yīng)用程序編寫

　　激光掃描系統(tǒng)中，需要對(duì)激光測(cè)距儀、水平方向的步進(jìn)電機(jī)、垂直方向的步進(jìn)電機(jī)[10]進(jìn)行控制，通過對(duì)激光測(cè)距儀返回的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)分析結(jié)果，判斷剛才掃描的是靜止物體還是動(dòng)態(tài)物體，決定要發(fā)送的下一條命令。

　　在系統(tǒng)工作中，需要同時(shí)執(zhí)行電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)[11]和激光測(cè)距，因此建立了任務(wù)MoveMeasure。由于在工作中，不同的應(yīng)用對(duì)激光測(cè)距儀的參數(shù)要求不同，因此建立了任務(wù)LDMConfig，通過信號(hào)量LDM_SEM來同步任務(wù)LDMConfig和任務(wù)Move_Measure。當(dāng)激光測(cè)距儀測(cè)距結(jié)束時(shí)，通過信號(hào)量LDM_DATA啟動(dòng)任務(wù)DataLDM。再通過信號(hào)量DATA_SEM啟動(dòng)任務(wù)DATADispose。當(dāng)任務(wù)DATADispose完成數(shù)據(jù)的處理后，根據(jù)處理結(jié)果，決定下一條要發(fā)送的命令，并通過消息郵箱CMD_MBOX把要執(zhí)行的命令發(fā)送給任務(wù)Move_Measure。任務(wù)Move_Measure根據(jù)CMD_MBOX控制電機(jī)和激光測(cè)距儀工作。任務(wù)間的流程如圖3所示。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

　　4.1 試驗(yàn)

　　試驗(yàn)中使用一個(gè)長(zhǎng)45 cm、寬45 cm的長(zhǎng)方體，在該長(zhǎng)方體的一側(cè)邊沿連接一個(gè)高45 cm、長(zhǎng)50 cm的平面板。使相鄰的平板的板面錯(cuò)開，形成一個(gè)類似方波形狀的物體，如圖4所示。激光掃描系統(tǒng)距離最近的平板板面的距離為14 m，距離最遠(yuǎn)的平板板面的距離為20 m。

　　系統(tǒng)上電后，先通過激光測(cè)距儀的紅色瞄準(zhǔn)激光固定好激光測(cè)距儀和雙振鏡的位置，使激光掃描系統(tǒng)位于相連板面的中間。然后關(guān)閉紅色瞄準(zhǔn)激光。讓激光掃描系統(tǒng)開始工作，進(jìn)行物體輪廓掃描。

　　4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　將實(shí)驗(yàn)距離測(cè)量數(shù)據(jù)按照距離值分布，如圖5所示，橫坐標(biāo)數(shù)值表示數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)，縱坐標(biāo)數(shù)值表示距離值。從測(cè)量數(shù)據(jù)的分布顯示波形看，落在板子正面上的點(diǎn)為16個(gè)，電機(jī)每走一步的角度為0.112 5°，激光掃描系統(tǒng)距試驗(yàn)板的最近距離為14 m，因此電機(jī)每走一步轉(zhuǎn)過的水平距離為tan(0.112 5°)×1 400≈27(mm)。掃描的板子正面的長(zhǎng)度為27×17=459(mm)，與板子正面的實(shí)際長(zhǎng)度45 cm誤差2％，滿足通過激光掃描描繪物體外圍輪廓的精度要求。圖形正確地表現(xiàn)了所擺放的平板的圖形。

5 結(jié)束語

　　基于AVR32和μC/OS-II系統(tǒng)的激光掃描系統(tǒng)可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的多次掃描和物體輪廓的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取。但由于μC/OS-II系統(tǒng)本身只是一個(gè)微內(nèi)核，功能相對(duì)簡(jiǎn)單，因此下一步將繼續(xù)研究基于Linux操作系統(tǒng)的激光掃描系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)掃描數(shù)據(jù)的曲線圖的實(shí)時(shí)顯示，動(dòng)態(tài)把握掃描過程。

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