基于S3C6410的嵌入式胶带运输机监控系统

� 2010年 � 第 12期 仪 表 技 术 与 传 感 器 Instrum ent� Techn ique� and� Sensor 2010� No� 12� 基于 S3C6410的嵌入式胶带运输机监控系统 李文江 1,王红飞 1,侯玉峰 1,李书斌 2 ( 1.辽宁工程技术大学电气与控制工程学院,辽宁葫芦岛 � 125105; 2. 葫芦岛市供电公司,辽宁葫芦岛 � 125100) � � 摘要: 针对现存煤矿井下胶带运输机控制系统不够灵活。可靠性低等缺陷, 提出将 L inux操作系统移植到 ARM11体 系结构的主控制芯片 S3C6410中,实现现场控制与异地控制的结合。主屏采用 EB8000 P ro ject M anager软件开发的多功 能人机交互界面, 实现用户级的设备灵活控制。系统运行表明: 嵌入式的胶带运输监控系统不但节省了成本, 还具有便于 维修, 可扩展性强,稳定性高等优点。 关键词: 嵌入式系统;胶带运输机; L inux操作系统; 数据处理; S3C6410 中图分类号: TP274� 2� � � 文献标识码: A� � � 文章编号 : 1002- 1841( 2010) 12- 0074- 03 UndergroundM ine Belt ConveyorM onitoring System Based on S3C6410 L IW en�jiang1, WANG H ong�fe i1, HOU Yu�feng1, L I Shu�b in2 ( 1. Faculty of E lec tr ical and Control Eng ineering, L iaon ing Techn ical Un iversity, Hu ludao 125105, Ch ina; 2. Hu ludao E lectr icPow er Supp ly Com pany L im tted, Hu ludao 125100, Ch ina) Abstract: An idea that transp lanted the L inux ope ra ting system to them ain con tro l ch ip S3C6410 w hich w ith ARM11 arch itec� ture w as proposed to hand le the problem that the control system of ex isting belt conveyor unde rground m inew as inflex ib le and unre� liable, wh ich accom plished the com bina tion o f the field contro l and the remo te contro.l The m a in screen utilized the softw are o f EB8000 P ro jectM anager to achieve interactive inte rface and im prove the flex ib le o f contro l in use r�level dev ice. The belt conveyor contro l system wh ich had transplanted the em bedded system wo rked we ll in the fie ld, and show ed advantages o f cost sav ings, easy m a intenance, sca lab ility and stability. K ey words: embedded system s; belt conveyo r; L inux operating sy stem; data processing; S3C6410 0� 引言 随着煤炭行业的快速发展,煤炭企业对设备监控的技术要 求日益提高, 而胶带运输机是提高产量和效益的关键设 备 [ 1- 2]。近年来,嵌入式以其可靠性高、体积小、实时性强、功 耗低等优点以逐步占据整个工业自动化领域,但是该技术应用 于煤矿井下的技术仍不成熟。通过开发嵌入式应用技术, 建立 简单友好的人机交互界面, 避免复杂繁琐的 PLC编程, 并且小 型 PLC无法实现历史事件追忆功能以及难以实现复杂的算法, 而嵌入式的操作及其维护都十分方便, 降低了使用难度, 并且 其可扩展性强。从造价上看, 嵌入式相较 PLC而言也便宜将近 一半, 是一种经济实用的选择 [ 3]。文中提出了基于 S3C6410的 嵌入式胶带运输机监控系统设计 [ 4]。 1� 系统的总体设计 系统的总体结构包括主站、从站、输入输出模块、总线采用 TCP /IP协议 [5]、语音模块、人机交互模块, 其硬件之间的相互 关系如图 1所示。 图 1� 系统结构框图 1. 1� 主站系统的设计 主站从功能上可分为智能控制单元和人机交互界面部分。 智能控制单元主要实现对每个胶带运输机的实时监控和 语音报警等功能。以四条胶带运输机为例, 主胶带运输机集控 系统实现四台胶带运输机自动 (集控 )、单台 (手动 )控制及通 讯控制功能。其与从站的通讯结构如图 1所示。 人机交互界面使设备的运行状态在显示屏上实现拟态显 收稿日期: 2010- 04- 29� 收修改稿日期: 2010- 09- 03 示。实现对胶带运输系统设备的集中控制和远程启、停控制 , 监视胶带运输系统的工作电流、电压、功率等数据并可以动态 显示 [6- 7]。 1. 2� 从站系统的设计 从站主要负责现场数据的采集和处理, 并能实时地根据采 集来的数据进行输出, 对外部的继电器和接触器进行控制。图 2为从站系统框图。其采集的信号包括胶带运输机各种传感器 的数字量开关信号 [ 8] , 比如堆煤信号、烟雾信号、电路是否正常 工作等, 标准电平为 24 V输入; 同时从站对这些信号的优先级 � � � � � 第 12期 李文江等: 基于 S3C6410的嵌入式胶带运输机监控系统 75��� � 进行整理, 进行实时处理并与主站通信。输出部分主要用于控 制变频器和各类接触器, 一般为继电器输出, 其中有一部分为 24 V输出, 另有一部分为交流 127 V或 220 V输出。 图 2� 从站硬件设计 开关量输入模块的功能是采集现场的开关状态, 以及相应 的按键状态并将采集到的信号传给上层的数据处理单元。文 中对胶带控制系统中的这类开关量信号进行了汇总, 并考虑了 一部分备用信号, 最终核心控制器设计了 32路输入、16路输 出。一个开关量输入模块能采集 20开关量, 因为整个胶带系 统要控制和采集的开关量比较多, 需根据需要对模块进行扩 展。由于主控制芯片上已经集成 AC97音频解码器接口, 所以 语音通信仍旧采用 AC97芯片。根据不同的传输距离采用不同 的传输方式, 短距离的从机交互通信, 通讯协议根据触摸屏的 需要采用 MODBUS通信协议。主、从站之间的通信采用 TCP / IP通信方式,这样可以增加通讯距离。 2� 系统硬件的选择 主、从站主控制芯片采用 S3C6410A为处理器, S3C6410A 内核基于 ARMv6指令集架构, 工作频率最高可达到 533MH z, 功耗为 200 mW,有 8级流水线且带两个周期的高速闪存访问 , 具有更快的实时响应和更低的中断延迟, 支持矢量化中断, 带 可配置指令和数据高速闪存的存储器系统, 外加带专用 DMA 的高速本地存储器, 以加强实时数据的处理能力, 同时集成 AC97音频解码器接口, LCD显示以及 A /D转换和触摸屏接口。 为减轻主控芯片的负担, 对外部模拟信号进行 A /D转换, 同时 使用 NOR FLASH 和 NAND FLASH扩展存储容量, 由于井下大 型电机、电机车等产生的高频信号将对通信产生影响, 通信采 用抗电磁干扰能力强电缆。整个主电路板应采用高度封闭的 屏蔽包装, 起到防尘、防爆、防电磁干扰的作用。 3� 系统软件部分 系统软件设计主要包括主、从站主控程序以及输入、输出 模块的内嵌程序。同时不管主站、从站, 首先是一个独立的操 作系统, 然后是其间存在着数据的通信 [ 9]。这样就要求 L inux 内核、文件系统都固化在 F lash中, 这样 uboo t就不需要再通过 网络方式来引导操作系统, 而是直接在本地就将操作系统引导 起来了。胶带机核心控制器所需的驱动程序需要直接编译进 内核, 在内核启动的时候就直接挂接驱动程序建立设备文件节 点, 同时把应用程序直接包含到 ramd isk文件系统中,并使操作 系统在启动后直接跳到应用程序执行。系统软件最重要的是 数据的处理, 不同的数据采用不同的数据处理流程,从站的数 据处理流程如图 3所示, 主站的数据主要是响应各从站并发起 命令 [10]。 图 3� 从站运行数据流图 � � � � � 76��� Instrum ent Techn ique and Sensor Dec�2010� � � 系统选择 linux�2. 4. 19�rmk7内核移植到主、从站 S3C6410 上, 因而监控系统的运行是在 L inux操作系统的平台上进行的。 各部分的通讯根据通讯距离的长短而采取不同的通讯方式。 对于数据信息的处理主要采用多线程的处理方式, 各线程采取 分时占用的方式,由于 S3C6410的工作频率可达到 533MH z,故 分线程分时占用完全可以满足实时通讯要求。其中系统主线 程与延时线程程序分别如图 4和图 5所示。胶带运输机核心 控制器主要有以太网、RS- 232、CAN、数字量输入输出、人机交 互等 5个模块, 这些模块的工作都需要驱动程序的支持。由于 L inux中已经自带以太网驱动,而 RS- 232模块所需的 USART1 的驱动已由相关人员开发完成, 论文把 CAN的驱动作为一类 字符型驱动, 对于数字量输入、输出模块, 可以划分为数字量输 入、输出设备和 2个计数器设备, 对于人机接口模块, 可以划分 为段数码管设备、LCD核心控制器的软件设计与实现设备和键 盘设备, 虽然两个模块共划分出 6个设备, 但这些设备的本质 都可视为片外存储器中的一个存储区域, 其访问方式是一样 的, 只是地址不同, 所以将这些设备的驱动统一作为一类字符 驱动来研究。 图 4� 系统主线程程序框图 由于采用了操作系统,使大部分功能都嵌入到操作系统之 中来完成, 例如原本的系统堆煤、电压、温度等采集、判断、处理 图 5� 延时线程程序框图 过程将由非常复杂的外部电路来完成, 有的甚至一个电路都完 成不了, 现在只需将其汇总,再连接到处理的 I/O上, 就能对其 进行分时处理, 使原本复杂的外部电路变得清晰, 就性能上讲 , 也比以前可靠得多。 4� 实际运行结果 该系统已经在辽宁抚顺矿业集团有限责任公司试运行, 截 取监控画面如图 6~图 8所示。 � � � � � 第 12期 王文军等: MC9S12DP256单片机在混合动力车辆仪表系统中的应用 79��� � 2. 2� 液晶仪表模块设计 液晶显示器具有体积小、外形薄、功耗低、质量轻、工作驱 动电压低、无辐射等优点, 基于液晶的显示系统实际上是由液 晶显示屏、液晶显示控制器、微控制器及其相应软件构成, 见图 8。仪表控制器的液晶控制芯片采用 QPYD液晶显示控制器。 系统中液晶显示器与 IC连接方式采用的的是 COG方式 (芯片 被直接绑定在玻璃上 ), 跟外部接口信号线有: FRM (驱动器扫 描的同步信号线 ); LOAD (数据锁存信号线 ); CP (数据移位时 钟信号线 ); D ISP (显示控制信号线 ) ; D [ 7~ 0] ( 8根显示数据 输入线 )。 图 8� 液晶显示模块系统结构示意图 3� 系统软件设计 仪表的系统软件包括实时操作系统相关软件和液晶显示 相关软件。其中实时操作系统相关软件用于处理仪表系统采 集的各种信号, 在液晶屏幕上显示车灯、门窗等车身附件信息 以及车辆运行工况等混合动力车辆特有信息; 将发动机转速、 车速等信号通过 PWM 在指针式仪表上进行指示, 提供汽车的 行驶时间信息。液晶显示相关软件包括显示 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计、液晶显 示屏底层软件设计、能量流程和电池电量软件设计以及图库字 库的植入。组合仪表的虚拟显示部分是通过 M C9S12DP256单 片机控制外部显示芯片实现 LCD的显示功能。 4� 结束语 文中介绍了 MC9S12DP256的性能特点以及以其为核心处 理单元的混合动力车辆仪表控制系统, 该系统完成了传统指针 式组合仪表所具有的功能, 采集混合动力车辆的运行信息并传 达给系统在液晶屏幕上显示。 参考文献: [ 1 ] � 张友德.菲利浦 80C51系列单片机原理与应用技术手册.北京:北 京航空航天大学出版社, 1999. 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