等基于μC/OS-II操作系統KDG15A型遠程控制開關的研究

天地（常州）自動化股份有限公司 夏 云

1.前言

隨著煤礦綜合自動化程度的提高，井下網絡系統的應用也越來越廣泛，通過網絡系統不僅能在井下現場操作各種設備，同時能在地面實現遠程控制，而且能在地面實時監測各種設備的運行參數等，真正實現遠程綜合自動化系統。

目前國內現場的遠程控制開關種類比較繁雜，造成系統接人控制總線種類大，給現場應用造成困難，我單位目前研制的KDG15A型遠程控制開關是KJ95N型煤礦綜合監控系統的配套產品，通過現場總線RS485，用于遠距離控制設備的開關，同時帶有饋電狀態檢測功能，可反映被控設備的狀態。

2.需求及技術分析

隨著井下自動化程度的提高，井下各種設備的控制及監控系統，可以挪移到地面控制中心，實現集中控制，減少了人工系統，例如井下中央水泵房排水系統，當水倉達到井下警戒水位后，必須及時開啟井下水泵向地面排水，這時就要逐一開啟相應的設備，例如首先把相應管路的閥門開啟到位，并需監測閥門是否開啟到位；然后開啟真空泵向主排水泵抽真空，確保真空后，再開啟主排水泵，這樣的一系列操作必須在現場安裝遠程控制開關。

又例如井下的皮帶機控制系統，由于井下皮帶系統可以實現遠距離運輸，皮帶機路線長，但皮帶機系統根據煤礦安全規程要求必須安設溫度保護、速度保護、煙霧保護、跑偏保護、滿煤保護、沿線緊急停車、縱撕保護等8大保護系統，這幾大保護如何在遠距離實現，必須在現場安裝遠程控制開關。

因此遠程控制開關的應用在煤礦現場中非常廣泛，我單位根據目前煤礦的具體現狀，結合煤礦必須具備的六大系統中的監測監控系統，綜合分析后決定研發KDG15A型遠程控制開關，并選擇RS485現場總線，方便接入目前常用的KJ95N型煤礦綜合監控系統，給用戶提供了方便可靠的遠程控制開關。

3.KDG15A型遠程控制開關硬件設計

3.1 CPU控制器的選型

KDG15A型遠程控制開關選用PHILIPS公司最新的LPC2119控制器作為系統CPU，該控制器是基于支持實時仿真和一個跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STM CPU，同時帶有128/256 kB（字節）嵌入的高速Flash存儲器。寬度128位的存儲器接口和很獨特的加速結構能夠使32位代碼在最大時鐘速率下運行。對系統代碼規模有非常嚴格控制的應用，可選擇16位Thumb模式將代碼的規模降低超過30%，而系統性能的損失卻很小。

LPC2119控制器為非常小的64腳封裝、非常低的功耗、幾個32位定時器、4通道10位ADC、2路CAN、PWM通道、46個GPIO以及多達9個外部中斷。并且內置了寬范圍的RS485串行通信接口。

具體的系統圖如圖1所示。

圖1 KDG15A型遠程控制開關結構框圖

3.2 系統電源的設計

KDG15A型遠程控制開關考慮到要搭接KJ95N型煤礦綜合監控系統，由于KJ95N型煤礦綜合監控系統中具有9-18直流電源電壓，只需在內部簡單增加電源濾波以及相應5V、3.3V LM1117-3.3和1.8VLM1117-1.8型電源轉換就可以了，在此不在啰嗦。

3.3 抗干擾電路的設計

由于井下各種信號的電磁干擾比較強。為了防止共摸干擾和差模干擾引入到KDG15型開關內部，對芯片以及其他相應硬件造成損壞，因此在各種繼電器開關量和系統采集電路之間相應加了光電隔離器，增加系統抗干擾的能力。開關量的光電隔離抗干擾電路圖如圖2所示：

圖2 光電隔離抗干擾電路圖

3.4 RS485電路的設計

作為目前常用的通訊接口，選用ADM487作為RS-485通信元件，同時考慮到系統的抗干擾性在485電路中增加3個快速光耦，這樣配置不僅設計簡單而且價格實惠。具體不在啰嗦，詳見圖3。

圖3 RS485電路設計

4.KDG15A型遠程控制開關軟件設計

KDG15A型遠程控制開關軟件通過采用移植μC/OS-II嵌入式實時操作系統(RTOS)作為該開關的操作系統。μC/OS-II操作系統是一種公開源代碼、結構小巧、具有可剝奪實時內核的實時操作系統，不僅具有編程簡單、簡潔，同時具有可裁減性好、可靠性高、實時性強等特點。

μC/OS-II操作系統是一個實時操作系統內核，它不僅僅包含了任務調度，任務管理，時間管理，內存管理和任務間的通信和同步等基本功能，而且包含了信號量管理、事件管理、郵箱消息管理、消息隊列管理、內存管理、事件標志組管理等幾個部分，以上功能完全可以通過用戶自己根據需要進行簡單的設置即可實現。由于μC/OS-II具有良好的可擴展性和源碼開放，其他的輸入輸出管理，文件系統，網絡等額外的任務，用戶可以根據需要簡單編程即可實現。

通過移植嵌入式μC/OS-II實時操作系統，應用程序變得相對簡單，主程序Main()函數如下：

Void main(void)

{

OSInit();//系統初始化

InitTimer0();//Timer0初始化，Timer0作為系統時鐘節拍源

OSTaskCreate(Task1,(void*)0,(void*)&TaskStk[1][0],6);/*建立任務1*/

OSTaskCreate(Task2,(void*)0,(void*)&TaskStk[2][0],6);/*建立任務2*/

OSStart();/*開始多任務調度*/

}

通過主程式，設置系統內部初始化，并設置好系統的時鐘節拍源，只需建立兩個任務即可實現Task1作為485通信任務，Task2作為系統輸入、輸出的監測控制任務。

Task1任務485通信程序采用中斷方式啟動，在系統設置內部設置好時間間隔，到時間即開啟Task1，具體流程圖見圖4。

圖4 Task1通信任務流程圖

數據處理及控制Task2程序如圖5所示：

圖5 數據處理及控制Task2程序

數據處理及控制程序，任務啟動后，首先判斷是否有上位機發送的控制命令，如果有控制命令，根據上位機控制命令分別對端口進行控制，如無控制命令對所有端口進行監測，監測完成后將監測結果存儲到相應位置。

5.結論

本文根據井下現場綜合自動化的需求簡單介紹了KDG15A型遠程控制開關設計，該控制開關系統設計簡潔，方便搭接KJ95N型煤礦綜合監控系統，為井下煤礦綜合自動化提供了很好的搭建平臺。該KDG15A型遠程控制開關已在我公司投入生產并依法取得防爆合格證和MA煤礦安全許可證，已投入到各個礦物局使用，并取得了很好的口碑。

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