基于ARM和CPLD的開放式數控系統設計

2 系統中斷控制
本系統采用基于數據采樣法的粗精兩級插補結構，插補周期為8 ms，采用中斷方式保證通信的實時性。中斷信號由CPLD每隔8 ms定時產生。當接收到CPLD的中斷信號時，ARM把粗插補計算結果寫入CPLD的固定地址。CPLD從固定地址讀取數據計算脈沖數，輸出脈沖信號，完成運動控制。本系統的中斷控制分成3部分：Windows CE中斷服務、應用程序中斷響應程序和CPLD程序。
2.1 Windows CE中斷服務
Windows CE是實時操作系統，其實時性體現在6個方面：(1)具有256個線程優先級；(2)應用程序可以控制提供給每個線程的時間片，計時器精確到1 ms；(3)優先級倒置處理機制；(4)支持嵌套中斷；(5)中斷延遲時間短；(6)更細粒度的內存管理控制[4-5]。Windows CE以上機制特別是中斷體系保證了數控系統的實時性。
Windows CE的中斷體系包括核心態的中斷例程ISR和用戶態的中斷線程IST兩部分。ISR主要響應中斷請求，識別中斷源，給操作系統內核返回相應的中斷標識。ISR具有最高的優先級。本系統采用ISR完成中斷服務。進入ISR以后，系統中所有的同級或下級中斷均被屏蔽。為了不降低系統執行多任務的性能，ISR應非常短小精干，以使其他中斷也能夠獲得及時的服務。
定制Windows CE中斷服務程序步驟如下：
(1)在操作系統內核中注冊事件hMotor，用于操作系統和應用程序中斷響應的同步。
(2)在操作系統內核中注冊插補中斷標識號SYSINTR_PWM_READY。
(3)調用函數InterruptInitialize，使中斷請求和hMotor事件掛鉤，當接收到中斷請求時操作系統自動將事件置為有信號，退出ISR時將事件置為無信號。
(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；//清除中斷請求
if(PWM_FINISH==TRUE)
return(SYSINTR_PWM_READY)；
//向內核返回中斷標識號
rADDR=*pulse_buf；//向CPLD寫數據
}
當ARM接收到由CPLD發出的中斷請求，操作系統將調用ISR，并將hMotor事件置為有信號。在ISR中將粗插補計算結果寫入CPLD，并向操作系統內核返回中斷標識號。退出ISR時，操作系統將hMotor事件置為無信號。整個ISR程序非常精短，保證了系統其他程序的正常運行。
2.2 應用程序中斷響應程序
應用程序無法直接獲知是否有中斷請求。利用hMotor事件使操作系統中斷服務與應用程序中斷響應程序達到同步。通過調用WaitForSingleObject函數查詢該事件狀態，應用程序可獲知是否有中斷請求并及時響應中斷。中斷響應程序框架結構如下：
while(!IsEnd)//判斷插補是否結束
{
……//粗插補計算
WaitForSingleObject(hMotor，INFINITE)；//無限期等待
//hMotor事件狀態變為有信號
DeviceIoControl()；//向操作系統傳遞
//粗插補計算結果，即位置增量
}
插補線程啟動后進行插補計算，調用WaitForSingleObject函數阻塞插補線程，等待hMotor事件狀態變為有信號。當操作系統接收到中斷請求后調度ISR，將事件置為有信號。此時WaitForSingleObject函數被返回，插補線程阻塞狀態解除。通過調用DeviceIoControl函數將插補結果傳遞到驅動層，再由操作系統將數據發送到CPLD。插補運算時間遠小于插補周期，因此插補線程經常處于阻塞狀態。WaitForSingleObject函數雖然會阻塞當前線程，但是不會占用任何CPU資源，因此即使插補線程優先級較高，當其被阻塞時也不會影響其他線程的正常運行。