基于μC／OS—II操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)

摘要：為了滿足自動灌溉施肥的要求，開發(fā)了一款數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。以ARM處理器為核心，設計了數(shù)據(jù)采集和控制模塊。各模塊之間通過485總線連接，采用標準的MODBUS協(xié)議通信。根據(jù)系統(tǒng)軟硬件環(huán)境定制了μC／OS—II操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了多任務的有效調度，大容量的數(shù)據(jù)存儲以及遠程網絡訪問。此系統(tǒng)已經應用于灌溉施肥的控制，并且能夠根據(jù)用戶的設置很好的完成施肥任務。
關鍵詞：數(shù)據(jù)采集；ARM；RS485；Modbus；C／OS—II；文件系統(tǒng)

O 引言
    隨著計算機技術、電子技術和控制技術的發(fā)展，智能化、自動化、精確化的灌溉和施肥技術正逐漸取代傳統(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核心板設計了一種通用的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，并且已經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)總體設計
    系統(tǒng)總體結構框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用LPC2220工業(yè)級ARM7微控制器，內嵌μC／0S—II實時操作系統(tǒng)，支持10M以太網(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量控制，以滿足設施環(huán)境內各種傳感器數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行機構的智能化控制。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、設備控制、智能管理、報表統(tǒng)計等通用功能，滿足各種設施環(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(shù)據(jù)存儲器、工業(yè)級以太網控制器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／控制模塊設計
    數(shù)據(jù)采集／控制模塊的設計如圖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，采用光電隔離技術和內嵌工業(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，總線驅動能力可達128個模塊。
    采集控制系統(tǒng)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。每個模塊均以C8051F330單片機為核心。該單片機具有內部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電平轉換芯片可以實現(xiàn)與PC機的通信，或者通過MAX485E轉換芯片實現(xiàn)RS一485總線通訊。

3 軟件設計
3．1 核心模塊軟件設計
    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)內核的核心是任務調度機制。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，必須合理的設定任務的優(yōu)先級。為了簡化設計，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文件轉存到U盤，并刪除電子盤上的原文件。
    遠程網絡訪問任務主要實現(xiàn)用戶通過網頁瀏覽器實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的查看和對開關的控制。遠程網絡訪問任務一直監(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。
3．2 數(shù)據(jù)采集／控制模塊軟件設計
    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。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l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閉繼電器，并且將繼電器狀態(tài)返回給主機。

4 結束語
    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。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)存儲和遠程網絡訪問。因此本系統(tǒng)有很好的實用性，已經被我們應用到灌溉施肥控制系統(tǒng)中。