基于ＡＲＭ＋μＣ／Ｏ［ＣＤ２］Ⅱ的斜井防跑車(chē)控制器設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)煤礦斜井防跑車(chē)控制器設(shè)計(jì)的功能要求，以32位ARM微處理器LPC2119為硬件平臺(tái)，將嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/O[CD2]Ⅱ移植到防跑車(chē)控制器設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，闡述防跑車(chē)控制器設(shè)計(jì)系統(tǒng)的組成，硬件設(shè)計(jì)以及用戶任務(wù)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較好的實(shí)時(shí)性和可靠性。

關(guān)鍵詞：斜井防跑車(chē)；控制器；ARM；μC/O[CD2]Ⅱ

Design of Anti[CD2]car[CD2]running Controller in Inclined Coal Well Based on ARM+μC/O[CD2]Ⅱ

LI Rong1，2，LI Juan1，3，ZOU Mengran1

(1College of Electronic and Information Engineering，Anhui University of cience and echnology，uainan，232001，China;

2uainan Vocational and echnical College，uainan，232001，China;3uainan Union University，uainan，232001，China)[JZ)]

Abstract：Aiming at the functionaldemands for the design of the anti[CD2]car[CD2]running controller in inclined coal well，the paper takes 32 b ARM microprocessor LPC2119 as the hardware platform and transplants embedded real[CD2]time operation system μC/O[CD2]Ⅱto the anti[CD2]car[CD2]runningsystemhe paper presents the components of the anti[CD2]car[CD2]running controller design system，design of hardware and design of users′ taskhe experimental result indicates that the system has better real[CD2]time performance and reliability

Keywords：anti[CD2]car[CD2]running;controller;ARM;μC/O[CD2]Ⅱ

1 引 言

煤炭作為我國(guó)的基礎(chǔ)能源，占到國(guó)內(nèi)能源消費(fèi)的近四分之三，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展中起著重要的作用。煤炭生產(chǎn)安全事關(guān)國(guó)計(jì)民生，安徽省1966~2003年煤礦事故中，運(yùn)輸事故死亡70人，占17%。運(yùn)輸是煤礦生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，從運(yùn)輸巷道的布置情況來(lái)分，有立井、斜井、平巷3種運(yùn)輸形式。在斜井運(yùn)輸中，由于超載、失修、誤操作等原因，發(fā)生提升車(chē)輛斷繩、脫鉤現(xiàn)象，使運(yùn)行的車(chē)輛沿斜井軌道向下的加速運(yùn)動(dòng)，即所謂的斜井跑車(chē)。煤礦安全規(guī)程規(guī)定：在斜井串車(chē)提升井巷中，必須安設(shè)能夠?qū)⑦\(yùn)行中斷繩、脫鉤的車(chē)輛阻止住的跑車(chē)防護(hù)裝置。

斜井提升跑車(chē)防護(hù)裝置一般有傳感器、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和擋車(chē)器等幾部分組成。其中正確靈敏地拾取跑車(chē)信號(hào)并發(fā)出控制指令是跑車(chē)防護(hù)裝置發(fā)揮作用的關(guān)鍵；現(xiàn)有的斜井跑車(chē)防護(hù)裝置中有機(jī)械聯(lián)鎖原理的、PLC作為控制器的，電子電路作為控制器的，存在著壽命短、維修量大、算法不靈活、抗干擾能力差等缺陷。本設(shè)計(jì)提出了一種基于32位ARM 7微處理器LPC2119和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/O[CD2]Ⅱ的斜井防跑車(chē)裝置控制器實(shí)現(xiàn)方法。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

21 裝置組成

該防護(hù)裝置是一種常閉型裝置，由控制器、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、擋車(chē)裝置和測(cè)速與到位傳感器構(gòu)成。如圖1所示。

傳感器A，B完成礦車(chē)速度測(cè)定及方向識(shí)別，傳感器C完成機(jī)車(chē)下行時(shí)發(fā)出放下?lián)踯?chē)裝置信號(hào)或機(jī)車(chē)上行時(shí)發(fā)出提起擋車(chē)裝置信號(hào)，傳感器E，F(xiàn)分別用于檢測(cè)擋車(chē)裝置提升和下放到位信號(hào)。

當(dāng)?shù)V車(chē)以正常速度行車(chē)時(shí)，擋車(chē)裝置自動(dòng)開(kāi)啟讓礦車(chē)通過(guò)，然后自動(dòng)關(guān)閉擋車(chē)裝置。當(dāng)發(fā)生跑車(chē)或脫車(chē)等情況，由于速度異常擋車(chē)裝置閉合，將礦車(chē)擋住。

22 控制器設(shè)計(jì)

控制器通過(guò)傳感器A，B獲得機(jī)車(chē)速度，通過(guò)傳感器C獲得機(jī)車(chē)運(yùn)行位置，并實(shí)時(shí)提升或放下?lián)踯?chē)裝置，通過(guò)傳感器E，F(xiàn)獲得擋車(chē)裝置位置信號(hào)。同時(shí)通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定防護(hù)速度，一般情況運(yùn)行速度不大于4 m/s。本控制器以LPC2119為核心，由最小系統(tǒng)、輸入通道和輸出通道等構(gòu)成，其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

（1） 最小工作系統(tǒng)：

最小工作系統(tǒng)以Philips公司的LPC2000系列ARM 7微控制器LPC2119為核心，采用1109 2 Mz晶振，并利用MAX708D組成復(fù)位電路，它包含一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器、一個(gè)微處理器復(fù)位模塊、一個(gè)供電失敗比較器及一個(gè)手動(dòng)復(fù)位輸入模塊。系統(tǒng)電源采用78M0，LM1117[CD2]33，LM1117[CD2]18三種電路產(chǎn)生所需的工作電壓。

（2） 輸出通道設(shè)計(jì):

本系統(tǒng)輸出通道輸出的信號(hào)為編碼信號(hào)，符合MC14026編碼規(guī)范，用于對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，為了隔離被控對(duì)象對(duì)系統(tǒng)的干擾，采用光耦4N33進(jìn)行隔離。輸出通道如圖3所示。

（3） 輸入通道設(shè)計(jì):

輸入通道主要傳輸傳感器信號(hào)，采用LP21[CD2]4光電器件進(jìn)行隔離，同時(shí)采用三極管限流防止外部接線短路。輸入通道如圖4所示。

3 控制器軟件設(shè)計(jì)

控制器采用μC/O[CD2]Ⅱ操作系統(tǒng)作為應(yīng)用軟件的平臺(tái)，可以避免傳統(tǒng)的前后臺(tái)程序設(shè)計(jì)時(shí)伴隨系統(tǒng)功能增加而造成程序編寫(xiě)量呈指數(shù)增加以及資源調(diào)度不當(dāng)發(fā)生的死鎖現(xiàn)象，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性［3］。

31 μC/O[CD2]Ⅱ的移植

μC/O[CD2]Ⅱ是一個(gè)源碼開(kāi)放的嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核。其核心代碼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔精練，具有足夠的穩(wěn)定性和安全性。μC/O[CD2]Ⅱ的移植對(duì)處理器有一定的要求，比如必須具有響應(yīng)中斷的能力，并同時(shí)具有開(kāi)關(guān)中斷的指令，處理器必須可支持一定數(shù)量的硬件堆棧，并且應(yīng)該有對(duì)堆棧指令進(jìn)行讀/寫(xiě)操作的指令等。同時(shí)在移植時(shí)編譯器應(yīng)該具有產(chǎn)生可重入代碼的能力。本設(shè)計(jì)所選用的處理器LPC2119以及開(kāi)發(fā)工具AD12能滿足移植要求。μC/O[CD2]Ⅱ的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括核心代碼部分、配置代碼部分、處理器相關(guān)代碼部分［4］。其中處理器相關(guān)代碼部分是移植時(shí)需要修改的部分，它包括O CPU，O CPU CC，O CPU A三個(gè)文件，OC CPU包括數(shù)據(jù)類(lèi)型定義、堆棧單位定義、堆棧增長(zhǎng)方向定義、關(guān)中斷和開(kāi)中斷宏定義等。O CPU CC它包含6個(gè)函數(shù)，其中，OInetEnter（）是任務(wù)堆棧初始化函數(shù)是必須的，其他個(gè)函數(shù)都是鉤子函數(shù)可以為空。O_CPU_A這部分需要對(duì)處理器和寄存器進(jìn)行操作，用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，包括四個(gè)函數(shù)：

OtartighRdy()函數(shù)被Otart()調(diào)用，使就緒的最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)運(yùn)行；OCtww()在任務(wù)級(jí)切換函數(shù)中調(diào)用，保存任務(wù)環(huán)境變量、將當(dāng)前P存入CB中、載入就緒最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的P、中斷返回等、OIntCtxw()在退出中斷服務(wù)函數(shù)OIntExit()中調(diào)用，實(shí)現(xiàn)中斷級(jí)任務(wù)的切換。OickIR()是系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)函數(shù)，它為內(nèi)核提供時(shí)鐘節(jié)拍，頻率越高系統(tǒng)負(fù)荷越重；使用硬件定時(shí)器作為時(shí)鐘中斷源，定時(shí)中斷頻率一般為10~100 z。

32 用戶任務(wù)設(shè)計(jì)

在嵌入式系統(tǒng)中，合理的劃分任務(wù)及優(yōu)先級(jí)，不但能簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、任務(wù)調(diào)度的正確性，而且還能增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、健壯性以及實(shí)時(shí)性。

本系統(tǒng)軟件主要功能有：

（1） 礦車(chē)運(yùn)行速度計(jì)算；

（2） 礦車(chē)運(yùn)行方向的識(shí)別；

（3） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制；

（4） 擋車(chē)裝置到位檢測(cè)；

（） 礦車(chē)下行和上行時(shí)擋車(chē)裝置關(guān)閉或打開(kāi)。

基于μC/O[CD2]Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)，根據(jù)自動(dòng)信號(hào)系統(tǒng)的功能要求，劃分了任務(wù)以及優(yōu)先級(jí)，任務(wù)優(yōu)先級(jí)取偶數(shù)，為以后系統(tǒng)升級(jí)留下空間。如表1所示。

asktart( )是μC/O[CD2]Ⅱ 初始化后運(yùn)行的第一個(gè)任務(wù)，由它來(lái)創(chuàng)建自動(dòng)信號(hào)系統(tǒng)的其他任務(wù)，該任務(wù)執(zhí)行一次后刪除，自身不再執(zhí)行。ask_Control()任務(wù)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。ask_peed_Check() 對(duì)礦車(chē)速度進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)圖1中A，B傳感器的工作狀況有兩種速度計(jì)算方法，當(dāng)A，B完好時(shí)，v=L/t，其中L為A，B二者之間的距離，當(dāng)A，B有1臺(tái)損壞時(shí)，v=l/t，其中L為礦車(chē)輪距；ask_Position_Check()完成擋車(chē)裝置到位檢測(cè)并即時(shí)發(fā)送信息給ask_Control()關(guān)斷電機(jī)電源；ask_Up[CD2]down_Check()檢測(cè)機(jī)車(chē)上行、下行位置，并即時(shí)發(fā)送信息給ask_Control()開(kāi)啟或關(guān)閉擋車(chē)裝置；ask_Clock()系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)ask_Up_down_Check()，ask_Position_Check()任務(wù)，各任務(wù)關(guān)系如圖所示。

peed_Check = OemCreate(0)；速度檢測(cè)啟動(dòng)信號(hào)量

Position_Check = OemCreate()；車(chē)位及擋車(chē)裝[LL]置檢測(cè)啟動(dòng)信號(hào)量

C_Mbox = OMboxCreate((void)0))；執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制郵箱

軟件流程框圖如圖6所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1） ARM系列微處理器LPC2119及實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/O[CD2]Ⅱ應(yīng)用于應(yīng)用于斜井防跑車(chē)控制器設(shè)計(jì)中，增加了系統(tǒng)的可靠性實(shí)時(shí)性以及靈活性；

（2） 基于LPC2119和μC/O[CD2]Ⅱ的斜井防跑車(chē)控制裝置控制器各項(xiàng)功能已初步得到驗(yàn)證。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］安徽煤礦安全監(jiān)察局以史為鑒警鐘常鳴［M］北京：煤炭工業(yè)出版社，2004

［2］盧舟燕，劉金龍，洪美娟，等 斜井防跑車(chē)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀［J］煤礦機(jī)械，2006，27（1）:128[CD2]129

［3］周立功ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程［M］北京：北京航空航天大學(xué)出版社，200

［4］任哲嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/O[CD2]Ⅱ原理及應(yīng)用［M］北京：北京航空航天大學(xué)出版社，200

［］田澤嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用［M］北京：北京航空航天大學(xué)出版社，200

［6］陳榮，蘆剛，李聲晉一種基于ARM的多任務(wù)的BLDCM控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］測(cè)控技術(shù)，2007，26(8):37[CD2]39

［7］林定光，毛宗源，田聯(lián)房，等μC/O[CD2]Ⅱ在微控制器上移植的探索[J]現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（2）:90[CD2]93