嵌入式系統(tǒng)設(shè)計樣本.

1、KJ15B 軌道運輸系統(tǒng)動態(tài)信號機模塊的設(shè)計與實現(xiàn)1. 引言礦井機車運輸系統(tǒng)是對礦山井下大巷運送人員、煤炭和物料的列車進行檢測和 調(diào)度的控制系統(tǒng) ,是保證運輸安全高效、提高礦井產(chǎn)量的重要技術(shù)裝備。礦井運輸監(jiān)控系統(tǒng)是技術(shù)難度較大 ,其難點主要有以下幾點 :受控對象繁雜 ;環(huán)境 惡劣 ;維護難度高。安徽省 “十五”二期科技攻關(guān)項目 “礦井安全生產(chǎn)數(shù)字化控制平 臺”就是針對當前煤礦生產(chǎn)安全的嚴峻形勢 ,在分析煤礦企業(yè)安全系統(tǒng)的現(xiàn)狀以及存 在的問題提出的新一代安全數(shù)字化礦井控制系統(tǒng)。它將煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境安全、生 產(chǎn)設(shè)備安全、生產(chǎn)過程安全以及數(shù)字視頻于一體化的監(jiān)控系統(tǒng),可以實現(xiàn)通過監(jiān)控信息管理來實現(xiàn)安全

2、及生產(chǎn)信息的深度融合和利用?！?KJ15B軌道運輸監(jiān)控系統(tǒng) ”是以地面控制中心為核心的機車運輸生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng) 它依靠安裝在軌道沿線的傳感器檢測車輛的運行狀況 ,由就近的分站通過計算機網(wǎng) 絡(luò)送到運輸調(diào)度中心。KJ15B數(shù)字化礦井軌道運輸系統(tǒng)由光纖以太網(wǎng) +CAN 總線網(wǎng)絡(luò) +ZigBee無線網(wǎng) 絡(luò)三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)組成。地面監(jiān)控系統(tǒng)通過光纖以太網(wǎng)與嵌入式 CAN-Ethernet 網(wǎng)關(guān) （以下簡稱網(wǎng)關(guān)進行通信 ,網(wǎng)關(guān)通過 CAN 總線與掛載在 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點進行 信息交互。 CAN-ZigBee 動態(tài)信號機 （以下簡稱動態(tài)信號機是掛載在 CAN 網(wǎng)絡(luò)上的 一個節(jié)點 ,該模塊通過無線通信方式與井

3、下列車上的車載設(shè)備車載信號機進行通 信。通過此三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) ,實現(xiàn)礦井的數(shù)字化監(jiān)控管理與安全生產(chǎn)。同時 KJ15B 軌 道運輸系統(tǒng)對老系統(tǒng) KJ15A 實現(xiàn)了兼容性設(shè)計 ,這樣給 KJ15A 系統(tǒng)的設(shè)備升級帶來 了方便。同時在老系統(tǒng) KJ15A 的基礎(chǔ)上直接升級新系統(tǒng) ,讓新老系統(tǒng)同時并存可以 保證二者之中至少有一個可以工作 ,提高了系統(tǒng)的可靠性 ,避免了由于設(shè)備維修或臨 時性設(shè)備故障帶來的礦井生產(chǎn)停工 ,提高了生產(chǎn)效率。本文所討論的動態(tài)信號機模塊為 KJ15B 軌道運輸系統(tǒng)的重要組成部分。它既 承擔著轉(zhuǎn)發(fā)地面監(jiān)控中心下發(fā)給車載信號機的控制命令的功能,同時也需要對車載 信號機上報的狀態(tài)信息進行

4、轉(zhuǎn)發(fā)。由此可知 ,該模塊在整個系統(tǒng)的作用及其重要 ,如 果缺少該模塊或該模塊失效 ,那么將直接切斷了整個系統(tǒng)與礦車之間的聯(lián)系 ,將會對 生產(chǎn)帶來極度不利。2. 動態(tài)信號機模塊概述2.1模塊介紹動態(tài)信號機為本質(zhì)安全型信號機 ,可用于爆炸危險性場所 ,在礦井機車運輸監(jiān)控 系統(tǒng)中用來給出進路開放與閉鎖以及運行方向信號。該信號機既是 CAN 總線網(wǎng)絡(luò) 中的節(jié)點 ,也是 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點 ,承擔著 CAN 網(wǎng)絡(luò)與 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)之間相互 通信的重要使能。該信號機由主控制板和動態(tài)信號燈兩個模塊組成。主控制板采用freescale 公司生產(chǎn)的 MC68HC9S08DZ60 芯片作為主控制芯片

5、 ,用來接收遠程控制命令 （狀態(tài)查 詢,電壓查詢,紅燈,黃燈,直行,左行,右行,倒車,亮度調(diào)整,返回狀態(tài)信息 （電壓值,亮燈狀 態(tài) ,故障信息。同時主控板控制一路蜂鳴器輸出 ,在必要時提供報警提示作用。動態(tài) 信號燈是由上下左右中五個發(fā)光塊組成的十字形信號燈 ,通過主控芯片進行控制。 該信號燈的一個重要特點就是采用流動發(fā)光的形式 ,在任意一個時刻僅有其中一個 發(fā)光塊發(fā)光 ,用來給列車前進、左行、右行等提供信號指示。由于該信號燈采用了 這種流動發(fā)光的形式 ,極大地降低了模塊的能量消耗 ,減輕了礦井下電力系統(tǒng)的負 擔。2.2動態(tài)信號機模塊功能動態(tài)信號機模塊是系統(tǒng)實現(xiàn)與車載信號機模塊通信的橋梁 ,完成

6、車載信號機與 網(wǎng)關(guān)之間的信息轉(zhuǎn)發(fā)。將車載信號機上行的 ZigBee 數(shù)據(jù)幀解析并封裝成 CAN 數(shù) 據(jù)幀上傳 ;接收上位機下行給車載信號機的控制命令解析并打包成 ZigBee 數(shù)據(jù)幀通 過 ZigBee 無線通信技術(shù)傳送到車載信號機。同時該模塊本身有信號顯示功能,根據(jù)下行給動態(tài)信號機的命令 ,進行不同的模式顯示。動態(tài)信號機需要實現(xiàn)以下幾點功 能要求:1. 以紅、黃 ,綠三種顏色動態(tài)顯示 ,能用流動發(fā)光的方式直接指示列車的運行方向 ,要求顯示距離遠 ,觀察清晰。2. 機內(nèi)配有蜂鳴器 ,可在進路開放時提醒司機、行人 ,能提高效率 ,保證安全。3. 無線通訊 :.將大巷中的信號機的狀態(tài)在機車信號機上

7、復現(xiàn) ;.接收安裝在機車上發(fā)訊機發(fā)出的信息。4. 在應(yīng)用編程 :可根據(jù)需要通過 CAN 總線改寫 ROM 中的程序。5. 所選單片機具有看門狗功能 ,防止程序發(fā)生死循環(huán)。6. 具有十六種可編程的信號燈顯示模式 ,并且通過無線通訊功能可將十六種顯示模式復現(xiàn)在機車信號機上。7. 亮度調(diào)節(jié) :通過軟件根據(jù)需要能調(diào)整十六級亮度。8. 動態(tài)信號機與控制分站采用 CAN 總線連接 （兩根電源線、兩根數(shù)據(jù)線。9. 供電:用來自電源箱的 12V 電源供發(fā)光單元及蜂鳴器用電 ,穩(wěn)壓為 5V后供板上 MCU 及控制、檢測電路使用 ,并且具有電源保護電路。10. 具有故障-安全功能 ,收到模式命令后顯示此模式 10

8、s,主控設(shè)備必須在此時間內(nèi)再次發(fā)出模式命令 ,否則信號機認為主控設(shè)備故障 ,自動轉(zhuǎn)向模式 0（系統(tǒng)停,以保證運輸安全。11. 為了與舊系統(tǒng)保持兼容性 ,在新系統(tǒng)中增加了編碼輸入與頻率輸出功能。編碼輸入功能用來對兼容接口上輸入的編碼信號通過軟件解碼方式正確的解碼 并要根據(jù)解碼后的信息通過 CPU 做出必要的動作 ;頻率輸出功能用來向上地面監(jiān)控 中心反饋狀態(tài)信息 ,通過 PWM 功能實現(xiàn)。3. 動態(tài)信號機硬件設(shè)計動態(tài)信號機模塊主要由電源控制模塊、 CAN 模塊、 ZigBee 模塊以及信號燈模 塊這幾個功能塊組成。電源模塊用來給整個動態(tài)信號機提供電源、 CAN 模塊實現(xiàn) CAN 總線通信、 Zig

9、Bee 模塊實現(xiàn)無線射頻通信、信號燈模塊用來進行信號指示功 能。下面對動態(tài)信號機中的幾個主要子模塊的硬件設(shè)計進行簡單介紹。 3.1 電源模 塊動態(tài)信號機要用兩組電源 ,其中信號燈采用電源箱 12V直接對其供電 ,CPU、無 線射頻模塊、 CAN 收發(fā)器 SJA1040等均采用 5V 供電。因此需要將來自電源箱的 12V 電源通過電源轉(zhuǎn)換芯片 LM2576 穩(wěn)壓至 5V,給本模塊其它部分供電。其中 F1 為保險絲 ,起到限流保護作用 ,一旦電流過大 ,超過了額定限度 ,熔絲即被熔斷 ,這樣有 效地避免了電路被燒壞 ;C9為電解電容 ,其作用是用來濾除電路中的低頻信號 ;C11 為高頻濾波電容 ,

10、主要用在開關(guān)電源整流后的濾波 ;D1 起到過壓保護作用 ,DS2為電 源指示燈。該部分原理圖設(shè)計如下圖 1 所示:圖 1 電源電路3.2信號燈驅(qū)動電路信號燈是本模塊的主要耗電部分 ,其工作時需要消耗大量電流 ,因此 CPU 通過驅(qū) 動芯片 ULN2803 對其控制 ,ULN2803 是八組 NPN 型達林頓功放三極管集成芯片 ,典 型的輸入電壓是 5V, 驅(qū)動電流可達 500mA,完全可以滿足本發(fā)光塊驅(qū)動電流 (40mA 的設(shè)計要求。兩路高驅(qū)先通過 ULN2803,再通過 P溝道增強型 MOS 管進行驅(qū)動。 電容 C7,C10分別用來濾除 ULN2803 中的低頻和高頻信號 (芯片附近必須有濾

11、波電 容 ,而且要使得芯片上的電源和地與該濾波電容形成的回路盡量短 ,才能使電容的濾 波效果更好。該部分原理圖設(shè)計如下圖 2 所示:圖 2 信號燈驅(qū)動電路3.3CAN 總線驅(qū)動電路CAN 總線驅(qū)動器選用 Philips公司生產(chǎn)高速 CAN 總線驅(qū)動器 TJA1040芯片,該 芯片輸入級符合 3.3V和 5V的器件,在不上電狀態(tài)下有理想的無源性能 ,提供低功耗 管理,支持遠程喚醒 ,并集成有完善的總線保護功能。 DZ1、 DZ2起 ESD保護功能,C14為濾波電容 ,用來濾除雜質(zhì)信號。 TJA1040的作用是用來對 CAN 總線上的差分信號與 CPU 能夠處理的數(shù)字信號進行轉(zhuǎn)換。該部分原理圖設(shè)計

12、如下圖 3所示:圖 3 CAN 總線驅(qū)動電路3.4ZigBee無線射頻模塊接口電路動態(tài)信號機模塊硬件上提供與無線射頻模塊的兼容接口 ,這樣可以將射頻模塊 直接從該接口接入。 PTE4 為 MOSI,PTE5 為 MISO,其他均能用普通 IO引腳相互替 代。 DS1,DS5為 Zigbee收發(fā)數(shù)據(jù)指示燈。圖 4 無線射頻模塊接口電路4. 動態(tài)信號機模塊軟件設(shè)計4.1總體設(shè)計原則動態(tài)信號機負責傳輸控制分站的控制命令和井下機車的狀態(tài)信息 ,信號燈的工 作狀態(tài)指示著列車前進、左行、右行或謹慎行駛等操作 ,直接影響行車安全 ,因此 ,可 靠性和實時性要求很高。如果采用傳統(tǒng)單片機程序的前后臺工作方式,較

13、難滿足要求。嵌入式實時操作系統(tǒng)兼具實時多任務(wù)和穩(wěn)定性 ,因此系統(tǒng)考慮采用實時內(nèi)核。 uC/OS-II 是一個源碼開放的實時內(nèi)核 ,且又有許多成功的先例可供參考 ,可針對不同 的 MCU/MPU,通過條件編譯裁剪其內(nèi)核的大小 ,以滿足系統(tǒng)的要求。配合 8位 MCU 提供的資源 ,采用 uC/OS-II 使得系統(tǒng)的可靠性和實時性均得到保障。根據(jù)功能需求分析 ,系統(tǒng)程序要實現(xiàn)的功能可以概括為 :如果是新系統(tǒng)工作 ,通過 CAN 接口接收下行的控制命令 ,將其轉(zhuǎn)發(fā)給車載信號機 ;接收車載信號機上傳的機車 控制狀態(tài)信息 ,上傳到控制分站。如果是老系統(tǒng)工作 ,則機車上的車載信號機此時不 工作 ,動態(tài)信號機

14、只通過編碼通信接口接收下行給動態(tài)信號機的控制命令 ,然后根據(jù) 控制命令完成動態(tài)信號燈的顯示功能。所以軟件需要三個模塊 :命令接收模塊、命 令轉(zhuǎn)發(fā)模塊、狀態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)模塊。所以,結(jié)合 uC/OS-II 內(nèi)核結(jié)構(gòu),本著盡量減少任務(wù)以及減輕 CPU運行負擔 的原則，程序應(yīng)設(shè)計 CAN 命令解析、解碼、上傳任務(wù)、信號燈顯示幾個任 務(wù)。 前兩個任務(wù)對應(yīng)于兩類接口下的命令接收模塊，上傳任務(wù)用來上傳機車狀態(tài) 信 息，信號燈顯示任務(wù)對應(yīng)于執(zhí)行模塊。其它功能可通過結(jié)合系統(tǒng)中斷處理子程 序 來實現(xiàn)。 4.2 系統(tǒng)程序總體設(shè)計 動態(tài)信號機程序的總體結(jié)構(gòu)應(yīng)具有系統(tǒng)程序、 任務(wù)級應(yīng)用程序和硬件驅(qū)動 程序三部分。系統(tǒng)程序主要由

15、 uC/OS-II 內(nèi)核程序和一 些內(nèi)存及通信等資源管理 程序構(gòu)成，同時將 ZigBee 無線通信協(xié)議棧移植到操作系 統(tǒng)中。應(yīng)用程序在這里 主要是任務(wù)級的用戶程序。硬件驅(qū)動程序是對各類硬件應(yīng) 用模塊直接操作的程 序，它包括了響應(yīng)各類中斷服務(wù)的中斷處理子程序。系統(tǒng)程 序和應(yīng)用程序的主要 結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖 1 所示。 OSInit（初始化 uC/OS-II 所有的變量和 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)初始化以后，建立主 任務(wù)。各類硬件資源的初始化在主任務(wù)中完 成，特別是系統(tǒng)時鐘節(jié)拍的初始化， 因為通常容易犯的錯誤是， 在調(diào)用 OSInit（和 OSStart（之間打開了時鐘節(jié)拍中斷， 產(chǎn)生的問題在于，在 uC/OS-

16、II 開始第一個任務(wù) 之前，時鐘節(jié)拍中斷程序就執(zhí)行， 而此時的 uC/OS-II 處于未知狀態(tài)，應(yīng)用程序就 會崩潰。主任務(wù)的另一個工作是 建立系統(tǒng)的多個運行任務(wù)，任務(wù)創(chuàng)建完成后， OSStart（啟動操作系統(tǒng)，開始任務(wù) 調(diào)度，運行的第一個任務(wù)就是主任務(wù)。主任務(wù)運 行一次，將初始化工作完成后立 即將自己刪除，不再參與任務(wù)調(diào)度。主任務(wù)初始 化硬件資源的工作包括： （1 判斷網(wǎng)絡(luò)接口類型，如果是 CAN 接口，初始化 CAN 模塊，不做編 碼接收端口的初始化；如果是編碼接口，則禁止 CAN 通信模塊， 初始化編碼接收端口。 系統(tǒng)失蹤初始化，程序運行以后，該時鐘中斷提供一個周 期性的時 鐘源，作為系統(tǒng)

17、的時鐘節(jié)拍，實現(xiàn)時間的延遲和超時功能。 AD 模塊初始化，為應(yīng)用程序提供 AD 采樣的設(shè)置。讀取地址開關(guān)，系統(tǒng)硬件上設(shè)計了撥碼 開關(guān)，用于設(shè)定設(shè)備地址， 軟件即讀取該設(shè)定值作為當前設(shè)備的地址。 (2 (3 (4圖 1 動態(tài)信號機程序框架 4.3 系統(tǒng)中斷處理 4.3.1 系統(tǒng)中斷類型任務(wù)級程序需 要通過底層硬件資源實現(xiàn)相關(guān)的功能。 系統(tǒng)中斷是任務(wù)進程和 底層硬件之間的橋 梁。經(jīng)過分析，系統(tǒng)具有以下幾類中斷：編碼接收端口的管 腳中斷； CAN 接 收中斷； ZigBee 接收中斷；系統(tǒng)時鐘節(jié)拍中斷。其中端 口管腳中斷和 CAN 命令接收中斷是不能共存的，而是作為系統(tǒng)的兩種選擇，因 為他們分別對應(yīng)

18、新、 老系統(tǒng)接口。這四類中斷的處理過程以及和系統(tǒng)任務(wù)之間的關(guān)系如圖 3 所示，這 也是整個系統(tǒng)程序各個模塊的關(guān)系結(jié)構(gòu)的展現(xiàn)。 圖 2 任務(wù)調(diào)度與 ISR 關(guān)系圖圖 3 系統(tǒng)中斷處理框架 4.3.2 設(shè)計說明圖 1 中對新老系統(tǒng)的判斷在系統(tǒng)初始化 時已經(jīng)完成， Port 管腳和 CAN 接收中斷的激活取決與系統(tǒng)初始化時的選擇。但二 者的處理是類似的，前者接收編碼 控制信號，接收完成后產(chǎn)生解碼事件標志，激 活解碼任務(wù)去對接收到的編碼信號 進行處理；后者接收 CAN 命令幀，然后產(chǎn)生 CAN 命令解析事件標志， 激活 CAN 命令解析任務(wù)去處理 CAN 命令幀。解碼任 務(wù)和 CAN 命令解析任務(wù)的處理結(jié)果也是一致的， 都是根據(jù)命令字的內(nèi)容，進行 信號燈的狀態(tài)顯示。同時，在新系統(tǒng)下