基于ARM核和CAN總線的煤矸石分選系統(tǒng)

摘要：簡要介紹了ARM(Advanced RISCM achines)微控制器和CAN(Controlle rArea Network)總線技術(shù)構(gòu)成的煤矸石在線識(shí)別與自動(dòng)分選系統(tǒng)，給出了ARM微控制器AT91M40800與CAN總線控制器SJA1000之間相連的硬件電路，論述了硬件接口之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)技術(shù)，給出了數(shù)據(jù)通信的軟件設(shè)計(jì)流程。CPLD(EPM7128)是用來調(diào)整時(shí)序和實(shí)現(xiàn)在線修改。實(shí)驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)的可行性，探索了一種新的選煤技術(shù)。
關(guān)鍵詞：ARM微控制器 ；CAN總線 ；煤矸石 ；分選系統(tǒng) ；CPLD

引言

隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，高性能、低功耗、低價(jià)格的32位RISC芯片的ARM微控制器呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展趨勢(shì)，嵌入式系統(tǒng)和現(xiàn)場總線技術(shù)結(jié)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，為傳統(tǒng)的選煤技術(shù)提供了新的改造方案。將嵌入式技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)相互融合，設(shè)計(jì)了一種新的煤塊和矸石在線識(shí)別與自動(dòng)分選系統(tǒng)。

煤矸石在線識(shí)別與自動(dòng)分選系統(tǒng)

煤塊和矸石在線識(shí)別與自動(dòng)分選系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。根據(jù)選煤工藝要求，本系統(tǒng)主要由下面三大部分構(gòu)成：

圖1　煤矸石在線自動(dòng)分選系統(tǒng)框圖

(1)檢測(cè)部分：由進(jìn)料斗、輸送帶、CCD攝像頭、圖像數(shù)據(jù)采集電路等組成。開采出來的原煤常含有矸石，必須將矸石從傳送帶上挑選出來。CCD攝像頭將煤與矸石圖像送圖像數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信息送入ARM微控制器，通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)傳送到PC機(jī)進(jìn)行處理。

(2)識(shí)別與控制部分：由計(jì)算機(jī)、ARM微控制器和測(cè)控設(shè)備組成，它是整個(gè)系統(tǒng)的核心。根據(jù)模式識(shí)別算法計(jì)算出煤和矸石的灰分含量，ARM微控制器識(shí)別和判斷出煤矸石后，完成控制動(dòng)作。如果判斷為煤，控制部分不動(dòng)作，原煤自然落入煤料斗，從煤塊通道運(yùn)走。如果判斷為矸石，發(fā)出控制信號(hào)，打開閥門，使矸石落入矸石通道。

(3)分揀機(jī)構(gòu)：由閥門、物料斗和系統(tǒng)供電設(shè)備等組成，通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)，完成多個(gè)通道的煤和矸石的自動(dòng)分選和運(yùn)輸。

芯片介紹

AT91M40800
AT91M40800是ATMEL公司基于ARM7TDMI核的16位/32位微控制器系列中具有較高性價(jià)比的一款芯片，其核心為高性能的32位RISC(Reduced Intro-duction Set Computer)體系結(jié)構(gòu)，并具有16位(thumb)指令集。通過可編程的外部總線接口(EBI)直接連接到包括FLASH在內(nèi)的各種片外存儲(chǔ)器，8個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷向量控制器和片內(nèi)外圍數(shù)據(jù)控制器顯著提高了器件的實(shí)時(shí)性能。AT91M40800集成了ARM7DMIARMThumb處理器內(nèi)核，提供了8kB的片內(nèi)SRAM，8個(gè)片選線，32個(gè)可編程I/O口，軟件可編程的8位或16位的數(shù)據(jù)總線，最大可尋址空間64MB，兩個(gè)USART，每個(gè)USART有兩個(gè)專用的外圍數(shù)據(jù)控制器通道，內(nèi)置可編程的看門狗定時(shí)器，8個(gè)具有優(yōu)先級(jí)、可單獨(dú)屏蔽的向量中斷控制器，4個(gè)外部中斷控制寄存器，4個(gè)外部中斷，包括一個(gè)高優(yōu)先級(jí)、低延遲的中斷請(qǐng)求，3個(gè)外部時(shí)鐘輸入，3通道16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。

SJA1000
由于煤倉、矸石山與分選車間各自有一定距離，需要集中管理和信息處理。而現(xiàn)場總線技術(shù)可以把單個(gè)分散的測(cè)量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以總線為紐帶，把它們連接成可以相互溝通信息、共同完成自動(dòng)控制任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。CAN通信速率最高可達(dá)1Mbps，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km(速率5kbps以下)，可掛接設(shè)備最多達(dá)110個(gè)，可以完成多通道同時(shí)分選和運(yùn)輸任務(wù)。SJA1000是Philips公司生產(chǎn)的獨(dú)立型CAN總線控制器，用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境中的控制器局域網(wǎng)絡(luò)，它是Philips公司半導(dǎo)體PCA82C200CAN控制器(BasicCAN)的替代產(chǎn)品，增加了新的工作模式(PeliCAN模式)，可以方便的和不同模式的處理器相連接，組成CAN控制網(wǎng)絡(luò)。

硬件接口電路設(shè)計(jì)

圖2 是SJA1000收發(fā)器與AT91M40800芯片的接口電路原理圖。

圖2　SJA1000與AT91M40800接口電路原理圖

EPM7128用來完成接口間信號(hào)的轉(zhuǎn)換與配置，EPM7128的輸入來自AT91M40800的片選信號(hào)NCS2，數(shù)據(jù)線D0～D7，地址A0～A1，讀信號(hào)NRD，寫信號(hào)NWE和系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)RST，經(jīng)過內(nèi)部的邏輯綜合處理，產(chǎn)生SJA1000所需的功能信號(hào)。根據(jù)各芯片信號(hào)線的要求及端口地址的分配，可以寫出CAN總線收發(fā)器的輸入/輸出邏輯關(guān)系表達(dá)式如下：　

CAN=NCS2A0
CANALE=NCS2A0(NRD+NWE)
CANRD=NRD
CANWR=NWE
CANRST=NCS2+RST

選定SJA1000的地址端口為400000H，數(shù)據(jù)端口的地址為400001H和復(fù)位端口地址為400002H。由于CAN控制器SJA1000的地址數(shù)據(jù)是復(fù)用的，通過ALE信號(hào)下降沿可以鎖存總線上的地址信號(hào)。但是AT91M40800的地址總線和數(shù)據(jù)總線是單獨(dú)提供的，不能直接與SJA1000的地址數(shù)據(jù)總線相連。所以要解決SJA1000與AT91M40800的接口問題，關(guān)鍵在于如何將訪問SJA1000所需的信號(hào)送入其中。這里采用的辦法是分兩次I/O操作完成，第一次往地址端口400000H送入地址值作為SJA1000的單元地址。此時(shí)，片選沒有選通，數(shù)據(jù)鎖存在AD0～AD7總線上。第二次訪問數(shù)據(jù)端口400001H時(shí)，SJA1000被選中，在ALE信號(hào)作用下將第一次的地址值寫入SJA1000，CPU對(duì)SJA1000進(jìn)行讀/寫操作。復(fù)位可以分為系統(tǒng)復(fù)位和程序復(fù)位兩種。系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)RST和程序復(fù)位信號(hào)在EPM7128中進(jìn)行邏輯或操作，兩者之一有效均可使SJA1000可靠的復(fù)位。

為了保證數(shù)據(jù)通信的可靠性，在CAN總線終端各連接一個(gè)120Ω的終端反射電阻，進(jìn)行總線阻抗匹配。SJA1000的TX1引腳通過10k8的電阻接地，RX1引腳電平必須維持在0.5Vcc以上。否則，不能形成CAN總線所需的邏輯電平。如果通信距離較近，環(huán)境干擾較小，可以不采用光電隔離電路6N137，這時(shí)，可以將82C251的V_REF直接與RX1引腳相連，從而簡化了電路。

ARM微控制器與CAN總線的數(shù)據(jù)通信　

AT91M40800通過外部總線接口(EBI)產(chǎn)生訪問片外存儲(chǔ)器和外部器件的信號(hào)，EBI支持不同的訪問協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)對(duì)外部器件的單周期訪問，設(shè)計(jì)中EBI的設(shè)置為：(1)選擇8位數(shù)據(jù)總線 ；(2)選擇標(biāo)準(zhǔn)讀協(xié)議 ；(3)選擇8個(gè)周期的等待時(shí)間 ；(4)片選線NCS2的基地址為400000H。所有程序均采用AT91庫的C語言編寫，它具有可讀性強(qiáng)、容易移植、開發(fā)簡單、調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。正確的初始化是程序正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，系統(tǒng)的初始化主要是AT91M40800微處理器和SJA1000的初始化(SJA1000工作晶振16M)，初始化流程如圖3所示。

圖3　通信軟件初始化流程圖

結(jié)論

采用ARM微控制器的AT91M40800芯片和CAN總線控制器SJA1000構(gòu)成的煤矸石在線識(shí)別與自動(dòng)分選系統(tǒng)，跟傳統(tǒng)的MCU作為控制的CAN總線網(wǎng)絡(luò)相比，是一種新穎的CAN總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。基于ARM微控制器的嵌入式系統(tǒng)與CAN總線的處理系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性、可靠性和靈活性，為落后的選煤技術(shù)提供了一種新方法。