基于CC2541的分布式控制系統

張守坤+項一丹

摘要：隨著工業科技的發展，生產規模逐漸擴大，人力已經無法滿足需求，使得在一些大型自動化控制設備中需要實時監控，引用分布式控制。分布式控制系統因其具有控制分散和管理集中的顯著特點被作為當今工業過程控制領域的主要控制系統之一。由于分布不集中、集成難度大，分布式控制系統可以很好地解決這些問題。介紹了一種基于CC251藍牙芯片控制的分布式系統，系統以一顆CC2541芯片作為主機，其他分布式控制節點采用從機模式，它主要負責處理數據、運行控制算法，控制執行部件。

關鍵詞：分布式控制；CC2541；主機；從機

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）34-0027-02

1 概述

分布式控制系統隨著計算機技術與網絡通訊技術的不斷發展，已經廣泛應用于大型的生產制造工作中，是先進制造技術與信息化技術相結合的典型應用實例。藍牙屬于近場通訊，應用場合一般為室內等近距離通信，因此我們使用PCB天線，相較于陶瓷天線來，PCB天線具有傳輸距離遠的優點。藍牙通信協議使用的是協議棧BLE-CC254x-1.4.0。

標準藍牙技術是一種“面向連接”的無線技術，具有固定的連接時間間隔，因此是移動電話連接無線耳機等高活動連接的理想之選。相反，藍牙低能耗技術采用可變連接時間間隔，這個間隔根據具體應用可以設置為幾毫秒到幾秒不等。另外，因為BLE技術采用非常快速的連接方式，因此平時可以處于“非連接”狀態（節省能源），此時鏈路兩端相互間只是知曉對方，只有在必要時才開啟鏈路，然后在盡可能短的時間內關閉鏈路。

CC2541是一款針對Bluetooth低功耗以及私有2.4GHz應用的功率優化的真正片載系統（SoC）解決方案。它使得使用低總體物料清單成本建立強健網絡點成為可能。CC2541將領先RF收發器的出色性能和一個業界標準的增強型8051MCU、系統內可編程閃存存儲器、8KBRAM和很多其他功能強大的特性和外設組合在一起。

藍牙通信通過射頻電路將信號發射出來，從機接收信號，進行解碼，然后執行相應的硬件動作，從而達到了主機發布命令，從機接收命令，執行動作，上傳信號，通知主機目前狀態。藍牙主機主要執行任務調度以及任務分配，和完成一個任務需要的流程，以及檢測各個子機狀態已確保發布任務是否會沖突，子機主要負責完成相應的硬件動作任務以及回傳相應的狀態的信息，完成動作的算法。通過主機發送任務信號，子機通過射頻電路接收到主機發送的命令，執行相對應的硬件動作，達到分布式控制的目的。

2 系統設計

系統主機為TI公司的CC2541芯片以及外設構建的主機模式，從機同樣是由CC2541為核心芯片構建的從機模式，通過RF電路，將信號輻射成電磁波，子機接收到已經綁定的設備發送的信號，就可以執行相應的動作，如圖1所示。

2.1 CC2541連接

CC2541在沒有配對綁定的情況下，一直處于廣播狀態，等到主機發送連接請求，從機接收到連接請求之后，發送掃描相應到主機，主機發送一個連接請求，和從機進行配對綁定。主機可以對從機的藍牙名和服務進行過濾，，過濾掉一些不是在整個系統網絡中的設備，導致發送命令之后，對應的子機沒有動作響應，出現錯誤現象。所以在配對過程中，主機會過濾掉一些其他設備，保證在整個網絡系統中都是在設計的環境中的設備。

在整個設備初始的過程中，設備會對硬件進行一系列初始化，還會對連接過程進行初始化，會進行連接參數設置，包括藍牙設備名稱、藍牙發射功率、藍牙最大連接數、藍牙在未連接的狀態下的超時時間、藍牙設備連接時間、藍牙設備要執行動作的優先級順序。在整個藍牙連接過程中，藍牙從機從未連接的狀態變成已連接的狀態，在設備發生連接綁定的過程之后，設備不會被發現，只有主動斷開連接，設備才會重新被發現，可以進行下一次的連接。藍牙設備在被發現和到連接的狀態，時間很短這就可以保證每一次設備關機之后，設備斷開連接之后，在新一次開機后，設備又會被快速連接，在設備連接成功之后，就可以執行分布式控制的任務。藍牙設備的連接工程如圖2所示。

2.2 CC2541操作系統

CC2541是采用的OSAL類操作系統執行任務的調度分配，osal包括任務、事件、消息機制、回掉函數、HAL。一臺設備中有多個任務，一個任務中有16個事件，消息用于不同任務之間的傳遞。SimpleBLEPeripheral工程中從底層的LL層到應用的Application層，一共分為有12個任務，每個任務會分配一個事件管理的變量，變量統一存在。其中，越底層的優先級越高，應用層的優先級是最低的。在應用層可以添加各種自定義的動作，來滿足程序的設計要求，滿足系統的控制要求，使得硬件完成指定動作。

2.3 CC2541軟件流程

CC2541的軟件流程是基于OSAL操作系統，遍歷所有的任務，查看是否有事件發生，然后執行相應的動作。在Osal系統初始化完畢之后，可以對整個系統中的人物執行操作，執行事件，在整個系統中沒有任何事件執行的時候，系統會自動進入休眠狀態，知道外部喚醒整個系統。外部中斷喚醒系統，通過HAL層檢測到了按鍵，osal會自動將按鍵信息打包，通過消息的形式發往引用層，最終在引用層對案件進行處理，喚醒系統。如圖4所示。

3 系統實現

整個系統以CC2541為主控芯片，以及一系列外設輔助完成。在整個系統中，主機主要負責任務的分配，讓相應的子機完成對應的動作。子機主要處理硬件驅動方案、控制算法、返回控制命令到主機以及接收主機發送的命令。主機和子機之間的消息發送通過RF電路，發送和接收指令，以達到整個系統的設計功能。在整個系統中，主機和子機之間沒有用實際的信號線進行連接，而是用電磁信號進行連接，在整個設計中能夠減少很多由線路帶來的問題。

4 結束語

在整個分布式控制系統中，傳統方式主要是用can總線，can總線在整個工業設計中經過長時間的使用，穩定性非常高，但是在較大的分布式空間中，需要布can總線，也是比較麻煩，采用射頻電路會減少很多布線的問題，會在很大的空間上能夠很穩定的信號傳輸，在現代硬件智能化時代，藍牙設備使用的次數越來越多，使用范圍越來越廣。用藍牙通信做分布式控制是一個比較好的解決大空間分布式控制的方案。

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