基于μC／OS—II操作系統的數據采集控制系統

0 引言

隨著(zhù)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(dòng)化、精確化的灌溉和施肥技術(shù)正逐漸取代傳統的灌溉方式。在施肥過(guò)程中，需要在線(xiàn)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，然后根據這些參數來(lái)控制電磁閥和水泵的運行達到自動(dòng)灌溉施肥的目的。目前，常用的數據采集控制系統都是為某一實(shí)際應用而設計的，通用性和可擴展性差、數據存儲能力不足，價(jià)格昂貴。因此基于周立功公司的ARM7核心板設計了一種通用的數據采集控制系統，并且已經(jīng)應用到自動(dòng)灌溉施肥系統中，能夠滿(mǎn)足穩定性，實(shí)時(shí)性以及大容量的數據存儲的要求。該數據采集控制系統采用模塊化設計，可以很方便的擴展和剪裁模塊，同時(shí)只要對軟件進(jìn)行少量修改就可以方便的移植到其它應用系統中。

1 系統總體設計

系統總體結構框圖如圖1所示。系統采用LPC2220工業(yè)級ARM7微控制器，內嵌μC／0S—II實(shí)時(shí)操作系統，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(pán)FOB(Flash On Board)、A／D轉換、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?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/RS485">RS485總線(xiàn)的數據采集控制模塊，可實(shí)現對電壓、電流、脈沖／頻率、狀態(tài)量等各種類(lèi)型信號的采集和開(kāi)關(guān)量控制，以滿(mǎn)足設施環(huán)境內各種傳感器數據的采集和執行機構的智能化控制。通過(guò)系統硬件擴展和軟件開(kāi)發(fā)，可完整地實(shí)現數據采集、存儲、報警、設備控制、智能管理、報表統計等通用功能，滿(mǎn)足各種設施環(huán)境的智能控制與管理。

2 硬件設計

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、數據存儲器、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(shí)工控模塊有256M的板載電子盤(pán)，一個(gè)標準的外置RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘(PCF8563)，2個(gè)UART控制器，一路高速I(mǎi)2C總線(xiàn)以及一路高速SPI總線(xiàn)等硬件資源。同時(shí)工控模塊內嵌μC／OS—II實(shí)時(shí)操作系統，TCP／IP協(xié)議以及FAT32文件管理系統等。工控模塊上的這些軟硬件資源，可以很方便的實(shí)現遠程網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)，以及大容量的數據存儲，滿(mǎn)足我們的需要。

2．2．1 數據采集／控制模塊設計

數據采集／控制模塊的設計如圖3所示，具有4個(gè)輸入或輸出通道，通過(guò)單片機實(shí)現數據采集與控制，與核心模塊之間通過(guò)RS485總線(xiàn)實(shí)現通訊，采用光電隔離技術(shù)和內嵌工業(yè)標準的Modbus協(xié)議，有效增強通訊穩定性，通訊距離可延伸至1200米，總線(xiàn)驅動(dòng)能力可達128個(gè)模塊。

采集控制系統中共設計了三種模塊，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(gè)模塊均以C8051F330單片機為核心。該單片機具有內部A／D和一個(gè)串口以及定時(shí)器，管腳較少，價(jià)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(guò)跳線(xiàn)實(shí)現復用，通過(guò)NAX3221電平轉換芯片可以實(shí)現與PC機的通信，或者通過(guò)MAX485E轉換芯片實(shí)現RS一485總線(xiàn)通訊。

3 軟件設計

3．1 核心模塊軟件設計

μC／OS—II是個(gè)實(shí)時(shí)操作系統。它是一個(gè)完整、可移植、可固化及可剪裁的搶占式多任務(wù)內櫳適合小型控制系統具有執行效率高、占用空間小等特點(diǎn)。μC／OS-II系統內核的核心是任務(wù)調度機制。μC／OS-II下每個(gè)任務(wù)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(wù)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。

核心模塊內嵌μC／OS—II實(shí)時(shí)操作系統，根據數據采集控制系統所需要完成的功能和需求，將系統劃分為5個(gè)任務(wù)：數據采集控制任務(wù)，數據存儲任務(wù)，遠程網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)任務(wù)，用戶(hù)界面任務(wù)以及用戶(hù)應用程序任務(wù)。為了保證系統的實(shí)時(shí)性，必須合理的設定任務(wù)的優(yōu)先級。為了簡(jiǎn)化設計，對于運行任務(wù)較少的數控系統可以采用靜態(tài)任務(wù)優(yōu)先級分配。根據任務(wù)對響應時(shí)間的敏感程度及重要性，任務(wù)的優(yōu)先級次序如下：

用戶(hù)應用程序>數據采集控制任務(wù)>用戶(hù)界面任務(wù)>數據存儲任務(wù)>遠程網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)實(shí)現一種相對獨立的功能，系統任務(wù)流程圖如圖4所示。

數據采集控制任務(wù)主要完成數據的采集和對開(kāi)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(guò)論詢(xún)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據。當程序控制邏輯或用戶(hù)通過(guò)觸摸屏需要開(kāi)關(guān)量動(dòng)作時(shí)，主機向從機發(fā)送寫(xiě)寄存器命令幀，相應的從機響應并打開(kāi)或關(guān)閉電磁閥。

數據存儲任務(wù)主要完成對采集到的數據的存儲。當數據采集控制任務(wù)完成一次數據采集任務(wù)之后，數據存儲任務(wù)會(huì )在電子盤(pán)上建立txt文件，并將數據存儲到文件中。當數據存儲任務(wù)檢測到有U盤(pán)插入時(shí)，會(huì )將電子盤(pán)上的txt文件轉存到U盤(pán)，并刪除電子盤(pán)上的原文件。

遠程網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)任務(wù)主要實(shí)現用戶(hù)通過(guò)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器實(shí)現對數據的查看和對開(kāi)關(guān)的控制。遠程網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)任務(wù)一直監控有沒(méi)有HTTP請求，當有HTTP請求時(shí)任務(wù)會(huì )將數據以HTTP協(xié)議發(fā)送給瀏覽器客戶(hù)端。用戶(hù)對控制模塊的遠程控制是通過(guò)提交表單的形式來(lái)實(shí)現的。

用戶(hù)界面任務(wù)主要完成用戶(hù)與系統的交互。通過(guò)大屏幕彩色液晶實(shí)時(shí)顯示采集到的數據，并且可以顯示數據的實(shí)時(shí)曲線(xiàn)。用戶(hù)以通過(guò)觸摸屏可以對系統進(jìn)行設置和控制。

用戶(hù)應用程序任務(wù)主要是根據實(shí)際系統的要求，提取和處理有用的數據完成一些邏輯控制功能。

3．2 數據采集／控制模塊軟件設計

RS一485標準只是一個(gè)物理的通信接口標準，要實(shí)現總線(xiàn)監控還要在此基礎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，現在已經(jīng)被許多工控廠(chǎng)商所支持，廣泛的應用到只能儀表，總線(xiàn)監控等領(lǐng)域。

Modbus協(xié)議采用主從結構的通信方式，適用于半雙工的RS一485總線(xiàn)。協(xié)議規定總線(xiàn)上有一個(gè)主機，多個(gè)從機，每個(gè)主機分配唯一的地址。工作時(shí)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(jìn)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據，因此在本系統中采用RTU模式。RTU消息幀典型格式如表l所示。

在本采集控制系統中，核心模塊作為主機，各個(gè)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(shí)，從機會(huì )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(shí)，會(huì )使控制模塊開(kāi)關(guān)量通斷，并且控制模塊會(huì )返回當前的狀態(tài)。每個(gè)數據采集／控制模塊有4路輸入或輸出通道。因此在每個(gè)采集／控制模塊內部定義了4個(gè)寄存器，每個(gè)寄存器占兩個(gè)字節。采集／控制模塊按字節接收數據，每接收一個(gè)字節就進(jìn)入一次串口中斷。進(jìn)入串口中斷之后，對接收到的數據進(jìn)行解析。解析數據的流程圖如圖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。當數據幀接收完之后，對接收到的數據進(jìn)行CRC校驗，并于接收到的CRC校驗碼進(jìn)行比較。若CRC校驗錯誤，則放棄本次數據。若CRC校驗正確，主程序則根據保存的功能碼，寄存器起始地址以及寄存器個(gè)數來(lái)響應主機。當功能碼為Ox03時(shí)，采集模塊根據接收到寄存器起始地址及寄存器個(gè)數將采集到的數據發(fā)送給主機。當功能碼為Oxl6時(shí)，控制模塊根據接收到的寄存器值打開(kāi)或關(guān)閉繼電器，并且將繼電器狀態(tài)返回給主機。

4 結束語(yǔ)

該數據采集控制系統可以對模擬信號、狀態(tài)量以及脈沖量進(jìn)行采集和處理，并且能夠根據采集的數據來(lái)控制繼電器的開(kāi)關(guān)。主機和模塊之間通過(guò)RS一485總線(xiàn)以標準的Modbus協(xié)議傳輸數據。因此可以很容易的實(shí)現擴展和與其它廠(chǎng)商的檢測儀表進(jìn)行集成。該系統采用了實(shí)時(shí)操作系統，使系統優(yōu)先級明確，提高了實(shí)時(shí)性，同時(shí)實(shí)現了大容量的數據存儲和遠程網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)。因此本系統有很好的實(shí)用性，已經(jīng)被我們應用到灌溉施肥控制系統中。