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)安全及生產(chǎn)信息的深度融

2、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)

3、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

4、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，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)，

5、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

6、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)在機車信號機上復現(xiàn)；.接收安裝在機車上發(fā)訊機發(fā)出的信息。4. 在應用編程：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

7、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10s,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

8、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、ZigBee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

9、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，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:12電源輸入昌U6jvCC12VS00nx4C11104Vui FEEDBACKWOFF OCTGXDLM2576iAlOOuH2丈21N5S22地線圖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

10、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:J#J:F0$ -I Ak J - 4 1- s 3 3 上 Ar 二 c 5+4 f _K* _

11、 X &*TJ-1-1*斗嘉竺SH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)計如下圖3所示:lOJV：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

12、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10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-ll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MC

13、U/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-ll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-ll內(nèi)核結(jié)構(gòu),本著盡量減少任務(wù)

14、以及減輕 CPU運行負擔的原則，程序應設(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)應具有系統(tǒng)程序、 任務(wù)級應用程序和硬件驅(qū)動程序三部分。系統(tǒng)程序主要由uC/OS-Il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因為通常容易犯的錯誤是，在調(diào)用OSInit（和 產(chǎn)生的問題在

15、于，在uC/OS-II開始第一個任務(wù) 而此時的uC/OS-II處于未知狀態(tài)，應用程序就 建立系統(tǒng)的多個運行任務(wù)，任務(wù)創(chuàng)建完成后， 調(diào)度，運行的第一個任務(wù)就是主任務(wù)。主任務(wù)運 即將自己刪除，不再參與任務(wù)調(diào)度。主任務(wù)初始OSStart（啟動操作系統(tǒng)，開始任務(wù) 行一次，將初始化工作完成后立 化硬件資源的工作包括：用模塊直接操作的程 序，它包括了響應各類中斷服務(wù)的中斷處理子程序。系統(tǒng)程 序和應用程序的主要 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， OSStart（之間

16、打開了時鐘節(jié)拍中斷， 之前，時鐘節(jié)拍中斷程序就執(zhí)行， 會崩潰。主任務(wù)的另一個工作是（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)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)級程序需腳中斷；CAN接

17、口管腳中斷和CAN為他們分別對應新、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 收中斷；ZigBee接收中斷；系統(tǒng)時鐘節(jié)拍中斷。其中端 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 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