基于μC/OS-II的智能窗系統(tǒng)設(shè)計

0 引言

隨著計算機技術(shù)、電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，智能化、自動化、精確化的灌溉和施肥技術(shù)正逐漸取代傳統(tǒng)的灌溉方式。在施肥過程中，需要在線檢測肥料溶液的酸堿度和電導率以及灌溉壓力、管道流量等，然后根據(jù)這些參數(shù)來控制電磁閥和水泵的運行達到自動灌溉施肥的目的。目前，常用的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)都是為某一實際應用而設(shè)計的，通用性和可擴展性差、數(shù)據(jù)存儲能力不足，價格昂貴。因此基于周立功公司的ARM7核心板設(shè)計了一種通用的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，并且已經(jīng)應用到自動灌溉施肥系統(tǒng)中，能夠滿足穩(wěn)定性，實時性以及大容量的數(shù)據(jù)存儲的要求。該數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，可以很方便的擴展和剪裁模塊，同時只要對軟件進行少量修改就可以方便的移植到其它應用系統(tǒng)中。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用LPC2220工業(yè)級ARM7微控制器，內(nèi)嵌μC/0S—II實時操作系統(tǒng)，支持10M以太網(wǎng)(工業(yè)級)、CF卡接口、USB主機控制器、板載電子硬盤FOB(Flash On Board)、A/D轉(zhuǎn)換、低功耗RTC 等功能。核心模塊與各采集控制模塊之間采用具有光電隔離的RS485通訊接口?；赗S485總線的數(shù)據(jù)采集控制模塊，可實現(xiàn)對電壓、電流、脈沖/頻率、狀態(tài)量等各種類型信號的采集和開關(guān)量控制，以滿足設(shè)施環(huán)境內(nèi)各種傳感器數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行機構(gòu)的智能化控制。通過系統(tǒng)硬件擴展和軟件開發(fā)，可完整地實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲、報警、設(shè)備控制、智能管理、報表統(tǒng)計等通用功能，滿足各種設(shè)施環(huán)境的智能控制與管理。

2 硬件設(shè)計

2.1 MiniARM工控模塊

MiniARM工控模塊主要由LPC2220(ARM7TDMI)微控制器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、工業(yè)級以太網(wǎng)控制器CS8900A、USB Host控制器和NAND F1ash存儲器組成。MiniARM工控模塊接口圖如圖2所示。

同時工控模塊有256M的板載電子盤，一個標準的外置RTC實時時鐘(PCF8563)，2個UART控制器，一路高速I2C總線以及一路高速SPI總線等硬件資源。同時工控模塊內(nèi)嵌μC/OS—II實時操作系統(tǒng)，TCP/IP協(xié)議以及FAT32文件管理系統(tǒng)等。工控模塊上的這些軟硬件資源，可以很方便的實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡訪問，以及大容量的數(shù)據(jù)存儲，滿足我們的需要。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集/控制模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)采集/控制模塊的設(shè)計如圖3所示，具有4個輸入或輸出通道，通過單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制，與核心模塊之間通過RS485總線實現(xiàn)通訊，采用光電隔離技術(shù)和內(nèi)嵌工業(yè)標準的Modbus協(xié)議，有效增強通訊穩(wěn)定性，通訊距離可延伸至1200米，總線驅(qū)動能力可達128個模塊。

采集控制系統(tǒng)中共設(shè)計了三種模塊，模擬量采集模塊、狀態(tài)量/頻率采集模塊以及繼電器輸出控制模塊。每個模塊均以C8051F330單片機為核心。該單片機具有內(nèi)部A/D和一個串口以及定時器，管腳較少，價格低廉很適合做采集模塊的控制器。在模塊中，C805lF330單片機的串口通過跳線實現(xiàn)復用，通過 NAX3221電平轉(zhuǎn)換芯片可以實現(xiàn)與PC機的通信，或者通過MAX485E轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)RS一485總線通訊。

3 軟件設(shè)計

3.1 核心模塊軟件設(shè)計

μC/OS—II是個實時操作系統(tǒng)。它是一個完整、可移植、可固化及可剪裁的搶占式多任務內(nèi)櫳適合小型控制系統(tǒng)具有執(zhí)行效率高、占用空間小等特點。 μC/OS-II系統(tǒng)內(nèi)核的核心是任務調(diào)度機制。μC/OS-II下每個任務可以有休眠、就緒、運行以及中斷等狀態(tài)。μC/OS-II提供的任務間的通信力式有很多，如信號量、消息郵箱、消息隊列和事件標志組等。

核心模塊內(nèi)嵌μC/OS—II實時操作系統(tǒng)，根據(jù)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)所需要完成的功能和需求，將系統(tǒng)劃分為5個任務：數(shù)據(jù)采集控制任務，數(shù)據(jù)存儲任務，遠程網(wǎng)絡訪問任務，用戶界面任務以及用戶應用程序任務。為了保證系統(tǒng)的實時性，必須合理的設(shè)定任務的優(yōu)先級。為了簡化設(shè)計，對于運行任務較少的數(shù)控系統(tǒng)可以采用靜態(tài)任務優(yōu)先級分配。根據(jù)任務對響應時間的敏感程度及重要性，任務的優(yōu)先級次序如下：

用戶應用程序>數(shù)據(jù)采集控制任務>用戶界面任務>數(shù)據(jù)存儲任務>遠程網(wǎng)絡訪問任務，每個任務實現(xiàn)一種相對獨立的功能，系統(tǒng)任務流程圖如圖4所示。

數(shù)據(jù)采集控制任務主要完成數(shù)據(jù)的采集和對開關(guān)量的控制。核心模塊作為主機，采集控制模塊作為從機。主機通過論詢的方式，每隔1秒向從機依次發(fā)送 Modbus讀寄存器命令幀。從機收到命令后，向主機返回采集到的數(shù)據(jù)。當程序控制邏輯或用戶通過觸摸屏需要開關(guān)量動作時，主機向從機發(fā)送寫寄存器命令幀，相應的從機響應并打開或關(guān)閉電磁閥。

數(shù)據(jù)存儲任務主要完成對采集到的數(shù)據(jù)的存儲。當數(shù)據(jù)采集控制任務完成一次數(shù)據(jù)采集任務之后，數(shù)據(jù)存儲任務會在電子盤上建立txt文件，并將數(shù)據(jù)存儲到文件中。當數(shù)據(jù)存儲任務檢測到有U盤插入時，會將電子盤上的txt文件轉(zhuǎn)存到U盤，并刪除電子盤上的原文件。

遠程網(wǎng)絡訪問任務主要實現(xiàn)用戶通過網(wǎng)頁瀏覽器實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的查看和對開關(guān)的控制。遠程網(wǎng)絡訪問任務一直監(jiān)控有沒有HTTP請求，當有HTTP請求時任務會將數(shù)據(jù)以HTTP協(xié)議發(fā)送給瀏覽器客戶端。用戶對控制模塊的遠程控制是通過提交表單的形式來實現(xiàn)的。

用戶界面任務主要完成用戶與系統(tǒng)的交互。通過大屏幕彩色液晶實時顯示采集到的數(shù)據(jù)，并且可以顯示數(shù)據(jù)的實時曲線。用戶以通過觸摸屏可以對系統(tǒng)進行設(shè)置和控制。

用戶應用程序任務主要是根據(jù)實際系統(tǒng)的要求，提取和處理有用的數(shù)據(jù)完成一些邏輯控制功能。[!--empirenews.page--]

3.2 數(shù)據(jù)采集/控制模塊軟件設(shè)計

RS一485標準只是一個物理的通信接口標準，要實現(xiàn)總線監(jiān)控還要在此基礎(chǔ)上建立自己的高層通信協(xié)議。Modbus協(xié)議是美國可編程控制器供應商 Modicon公司制定的一種工業(yè)通訊協(xié)議，現(xiàn)在已經(jīng)被許多工控廠商所支持，廣泛的應用到只能儀表，總線監(jiān)控等領(lǐng)域。

Modbus協(xié)議采用主從結(jié)構(gòu)的通信方式，適用于半雙工的RS一485總線。協(xié)議規(guī)定總線上有一個主機，多個從機，每個主機分配唯一的地址。工作時可采用命令/應答的通訊方式，主機向要從機發(fā)出命令幀，地址匹配的從機進行響應，并向主機發(fā)出與命令幀對應的應答幀。Modbus有兩種通信模式：ASCII模式和RTU模式。在相同的情況下，RTU模式比ASCII模式能夠傳送更多的數(shù)據(jù)，因此在本系統(tǒng)中采用RTU模式。RTU消息幀典型格式如表1所示。

在本采集控制系統(tǒng)中，核心模塊作為主機，各個采集和控制模塊作為從機響應主機發(fā)出的命令幀。當主機發(fā)送Ox03功能碼時，從機會把模擬量的值或者狀態(tài)量/頻率量的值返回給主機。當主機發(fā)送0x16功能碼時，會使控制模塊開關(guān)量通斷，并且控制模塊會返回當前的狀態(tài)。每個數(shù)據(jù)采集/控制模塊有4路輸入或輸出通道。因此在每個采集/控制模塊內(nèi)部定義了4個寄存器，每個寄存器占兩個字節(jié)。采集/控制模塊按字節(jié)接收數(shù)據(jù)，每接收一個字節(jié)就進入一次串口中斷。進入串口中斷之后，對接收到的數(shù)據(jù)進行解析。解析數(shù)據(jù)的流程圖如圖5所示。首先判斷地址是否與本機地址匹配，地址不匹配則放棄本次接受。地址匹配之后再保存功能碼。當數(shù)據(jù)幀接收完之后，對接收到的數(shù)據(jù)進行CRC校驗，并于接收到的CRC校驗碼進行比較。若CRC校驗錯誤，則放棄本次數(shù)據(jù)。若CRC校驗正確，主程序則根據(jù)保存的功能碼，寄存器起始地址以及寄存器個數(shù)來響應主機。當功能碼為Ox03時，采集模塊根據(jù)接收到寄存器起始地址及寄存器個數(shù)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給主機。當功能碼為Oxl6時，控制模塊根據(jù)接收到的寄存器值打開或關(guān)閉繼電器，并且將繼電器狀態(tài)返回給主機。

4 結(jié)束語

該數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)可以對模擬信號、狀態(tài)量以及脈沖量進行采集和處理，并且能夠根據(jù)采集的數(shù)據(jù)來控制繼電器的開關(guān)。主機和模塊之間通過RS一485總線以標準的Modbus協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。因此可以很容易的實現(xiàn)擴展和與其它廠商的檢測儀表進行集成。該系統(tǒng)采用了實時操作系統(tǒng)，使系統(tǒng)優(yōu)先級明確，提高了實時性，同時實現(xiàn)了大容量的數(shù)據(jù)存儲和遠程網(wǎng)絡訪問。因此本系統(tǒng)有很好的實用性，已經(jīng)被我們應用到灌溉施肥控制系統(tǒng)中。

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