基于μC／OS―II的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

在一些工業(yè)現(xiàn)場中，設(shè)備長時(shí)間運(yùn)行容易出現(xiàn)故障，為了監(jiān)控這些設(shè)備，通常利用數(shù)據(jù)采集裝置采集他們運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)并送給PC機(jī)， 通過運(yùn)行在PC機(jī)上的特定軟件對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以此判斷當(dāng)前運(yùn)行設(shè)備的狀況，進(jìn)而采取相應(yīng)措施。當(dāng)前常用的數(shù)據(jù)采集裝置，在其系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，多采用 單任務(wù)順序機(jī)制。這樣就存在系統(tǒng)安全性差的問題。這對于穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性要求很高的數(shù)據(jù)采集裝置來說是不允許的，因此有必要引入嵌入式操作系統(tǒng)。本文以 μC/OSII為操作系統(tǒng)平臺(tái)，基于ARM7系列處理器設(shè)計(jì)了一種通用的高性能數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

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(jí)ARM7微控制器，內(nèi)嵌μC／0S—II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，支持10M以太網(wǎng)(工業(yè)級(jí))、CF卡接口、USB主機(jī)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。基于RS485總線的數(shù)據(jù)采集控制模塊，可實(shí)現(xiàn)對電壓、電流、脈沖／頻率、狀態(tài)量等各種類型信號(hào)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(jī)構(gòu)的智能化控制。

2 硬件設(shè)計(jì)

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(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)控制器CS8900A、USB HoST控制器和NAND F1ash存儲(chǔ)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，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的外置RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘(PCF8563)，2個(gè)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(shí)工控模塊內(nèi)嵌μC／OS—II實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問，以及大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，滿足我們的需要。

2．2．1 數(shù)據(jù)采集／控制模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集／控制模塊的設(shè)計(jì)如圖3所示，具有4個(gè)輸入或輸出通道，通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制，與核心模塊之間通過RS485總線實(shí)現(xiàn)通訊，采用光電隔離技術(shù)和內(nèi)嵌工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議，有效增強(qiáng)通訊穩(wěn)定性，通訊距離可延伸至1200米，總線驅(qū)動(dòng)能力可達(dá)128個(gè)模塊。

3 軟件設(shè)計(jì)

3．1 核心模塊軟件設(shè)計(jì)

μC／OS—II是個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。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(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(diǎn)。μC／OS-II系統(tǒng)內(nèi)核的核心是任務(wù)調(diào)度機(jī)制。μC／OS-II下每個(gè)任務(wù)可以有休眠、就緒、運(yùn)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(hào)量、消息郵箱、消息隊(duì)列和事件標(biāo)志組等。

核心模塊內(nèi)嵌μC／OS—II實(shí)時(shí)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(gè)任務(wù)：數(shù)據(jù)采集控制任務(wù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)，遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問任務(wù)，用戶界面任務(wù)以及用戶應(yīng)用程序任務(wù)。為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，必須合理的設(shè)定任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。為了簡化設(shè)計(jì)，對于運(yùn)行任務(wù)較少的數(shù)控系統(tǒng)可以采用靜態(tài)任務(wù)優(yōu)先級(jí)分配。根據(jù)任務(wù)對響應(yīng)時(shí)間的敏感程度及重要性，任務(wù)的優(yōu)先級(jí)次序如下：

用戶應(yīng)用程序>數(shù)據(jù)采集控制任務(wù)>用戶界面任務(wù)>數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)>遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問任務(wù)，每個(gè)任務(wù)實(shí)現(xiàn)一種相對獨(dú)立的功能，系統(tǒng)任務(wù)流程圖如圖4所示。

數(shù)據(jù)采集控制任務(wù)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(jī)，采集控制模塊作為從機(jī)。主機(jī)通過論詢的方式，每隔1秒向從機(jī)依次發(fā)送Modbus讀寄存器命令幀。從機(jī)收到命令后，向主機(jī)返回采集到的數(shù)據(jù)。當(dāng)程序控制邏輯或用戶通過觸摸屏需要開關(guān)量動(dòng)作時(shí)，主機(jī)向從機(jī)發(fā)送寫寄存器命令幀，相應(yīng)的從機(jī)響應(yīng)并打開或關(guān)閉電磁閥。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)主要完成對采集到的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。當(dāng)數(shù)據(jù)采集控制任務(wù)完成一次數(shù)據(jù)采集任務(wù)之后，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)會(huì)在電子盤上建立txt文件，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到文件中。當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)檢測到有U盤插入時(shí)，會(huì)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(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問任務(wù)主要實(shí)現(xiàn)用戶通過網(wǎng)頁瀏覽器實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的查看和對開關(guān)的控制。遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問任務(wù)一直監(jiān)控有沒有HTTP請求，當(dāng)有HTTP請求時(shí)任務(wù)會(huì)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(yuǎn)程控制是通過提交表單的形式來實(shí)現(xiàn)的。

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

3．2 數(shù)據(jù)采集／控制模塊軟件設(shè)計(jì)

RS一485標(biāo)準(zhǔn)只是一個(gè)物理的通信接口標(biāo)準(zhǔn)，要實(shí)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(yīng)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(yīng)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(gè)主機(jī)，多個(gè)從機(jī)，每個(gè)主機(jī)分配唯一的地址。工作時(shí)可采用命令／應(yīng)答的通訊方式，主機(jī)向要從機(jī)發(fā)出命令幀，地址匹配的從機(jī)進(jìn)行響應(yīng)，并向主機(jī)發(fā)出與命令幀對應(yīng)的應(yīng)答幀。Modbus有兩種通信模式：ASCII模式和RTU模式。在本系統(tǒng)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(tǒng)中，核心模塊作為主機(jī)，各個(gè)采集和控制模塊作為從機(jī)響應(yīng)主機(jī)發(fā)出的命令幀。當(dāng)主機(jī)發(fā)送Ox03功能碼時(shí)，從機(jī)會(huì)把模擬量的值或者狀態(tài)量／頻率量的值返回給主機(jī)。當(dāng)主機(jī)發(fā)送0x16功能碼時(shí)，會(huì)使控制模塊開關(guān)量通斷，并且控制模塊會(huì)返回當(dāng)前的狀態(tài)。每個(gè)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(gè)采集／控制模塊內(nèi)部定義了4個(gè)寄存器，每個(gè)寄存器占兩個(gè)字節(jié)。采集／控制模塊按字節(jié)接收數(shù)據(jù)，每接收一個(gè)字節(jié)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(shù)據(jù)進(jìn)行解析。解析數(shù)據(jù)的流程圖如圖5所示。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)采用了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，使系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)明確，提高了實(shí)時(shí)性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問。