基于CC2530/μCOS-Ⅱ的井下數(shù)據(jù)采集器

張　峰，郭玲玲，徐　釗

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州　221008)

0　引言

煤礦安全一直備受社會(huì)關(guān)注，地面監(jiān)控室具有實(shí)時(shí)掌握井下人員的作業(yè)狀況與作業(yè)環(huán)境的能力，對(duì)保障煤礦人員生命安全與財(cái)產(chǎn)安全是至關(guān)重要的。為了能夠掌握礦井的安全狀況，需要通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采集井下諸如溫度，瓦斯?jié)舛?，人員加速度等數(shù)據(jù)參數(shù)，然后通過(guò)無(wú)線的方式發(fā)送到井下接收器，上傳至監(jiān)控室分析顯示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個(gè)多任務(wù)的系統(tǒng)，而且隨著對(duì)安全級(jí)別要求的提高，采集指標(biāo)也在不斷的擴(kuò)充。雖然已有很多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用于井下，但是大多采集工作簡(jiǎn)單劃一，任務(wù)間優(yōu)先關(guān)系不清，系統(tǒng)不具有良好的擴(kuò)展性。鑒于井下特殊的作業(yè)環(huán)境與CAN總線的通信優(yōu)點(diǎn)，目前CAN總線還廣泛應(yīng)用于井下通信系統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸(如人員定位系統(tǒng))[1]，為了使采集器能夠方便地加人井下既有CAN總線網(wǎng)，設(shè)計(jì)一款具有多種傳感器數(shù)據(jù)采集功能和無(wú)線射頻轉(zhuǎn)CAN總線功能的數(shù)據(jù)采集器是必要的。

1　μC/OS-Ⅱ的移植

μC/OS-Ⅱ是一種免費(fèi)公開(kāi)源代碼，結(jié)構(gòu)小巧，具有可剝奪內(nèi)核的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它具有多任務(wù)的特點(diǎn)，目前可以管理64個(gè)不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)；移植簡(jiǎn)單；內(nèi)核可裁減；多任務(wù)可確定性；并提供很多系統(tǒng)服務(wù)，比如信號(hào)量，消息郵箱，消息隊(duì)列，內(nèi)存的分配和釋放[2]。目前在已經(jīng)廣泛移植于Arm處理器，和MCS-51。而在CC2530上的移植還較少見(jiàn)，所以文中著重介紹了μC/OS-Ⅱ在CC2530上的移植過(guò)程。

1．1目標(biāo)機(jī)的硬件資源和采用的編譯器

該設(shè)計(jì)采用CC2530無(wú)線射頻芯片，以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線射頻數(shù)據(jù)的收發(fā)。CC2530是符合2．4 G IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器，支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)250 kbit/s，最快可以在600 μs下實(shí)現(xiàn)一幀鏈路層數(shù)據(jù)發(fā)送。此芯片可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)之間相互組網(wǎng)。內(nèi)置32 K晶振的休眠模式定時(shí)器，滿足無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)低功耗的要求。該芯片內(nèi)部具有8 K的RAM，滿足大部分工程軟件的在線數(shù)據(jù)空間開(kāi)辟。CC2530還內(nèi)置了256 K的flash存儲(chǔ)器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大量數(shù)據(jù)的無(wú)丟失保存。內(nèi)置13位精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬數(shù)據(jù)的采樣。CC2530還提供了豐富的數(shù)模接口，對(duì)于目前廣泛采用的SPI，RS232/485等數(shù)字通信接口基本都能實(shí)現(xiàn)直接通信，對(duì)于IIC和單總線接口，可以通用IO口模擬實(shí)現(xiàn)。所以，CC2530在能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)通信的同時(shí)，還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目前主流傳感器的數(shù)據(jù)采集。節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

移植中采用IAR的EW8051-EV-730B。它是目前最高效，靈活的CC2530開(kāi)發(fā)平臺(tái)。IAR編譯器會(huì)自動(dòng)虛擬出一個(gè)XSTACK堆棧(棧頂指針為XSP)和9個(gè)虛擬寄存器，以實(shí)現(xiàn)函數(shù)的可重入性。在保存現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，需要將這些寄存器都入棧保護(hù)。另外，在IAR的EW8051環(huán)境下移植μcos-Ⅱ還支持在線調(diào)試與仿真。

1．2具體移植步驟

移植需要修改各個(gè)與硬件相關(guān)的文件，該移植涉及到以下幾個(gè)相關(guān)文件。

1．2．1修改OS_CPU．H文件

首先，需要在OS_CPU．H中針對(duì)具體的處理器字長(zhǎng)重新定義一系列數(shù)據(jù)類型。因?yàn)镃C2530的棧寬度是8位的，所以將堆棧的數(shù)據(jù)類型聲明為8位無(wú)符號(hào)字符類型，即#define unsigned char OS_STK．

其次，為了避免在對(duì)臨界區(qū)代碼操作時(shí)間段內(nèi)，發(fā)生中斷而產(chǎn)生不可控的影響。必須保證系統(tǒng)在進(jìn)入臨界區(qū)之前關(guān)閉全局中斷，退出后再開(kāi)放。

最后，CC2530堆棧的增長(zhǎng)方向?yàn)橛筛呦虻?，需要在代碼中作相應(yīng)的更改。還由于CC2530的系統(tǒng)指令集中沒(méi)有軟中斷指令，所以用子程序調(diào)用模擬[2]。

1．2．2修改OS_CPU_C．C文件

這個(gè)文件中涉及的是任務(wù)堆棧初始化的相關(guān)操作，唯一需要修改的是函數(shù)OSTaskStkInit()。為了保證任務(wù)切換后能回到切換前的工作原點(diǎn)，μC/OS-Ⅱ中每個(gè)任務(wù)都有自己的堆?？臻g，移植人員需要自己為任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù)堆棧，結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于在井下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中需要即時(shí)存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)信息到CC2530的內(nèi)部RAM中，而由于內(nèi)部RAM空間有限，故只能CC2530的外部RAM中開(kāi)辟每一個(gè)任務(wù)的任務(wù)堆棧映像，用以長(zhǎng)期存儲(chǔ)每一個(gè)任務(wù)的環(huán)境參數(shù)。于是在任務(wù)切換時(shí)要進(jìn)行任務(wù)堆棧映像和系統(tǒng)堆棧之間的復(fù)制操作。

圖2　自定義任務(wù)堆棧結(jié)構(gòu)

CC2530單片機(jī)的堆棧指針SP與51單片機(jī)相似，也總是先加1再存數(shù)據(jù)。因此，SP初始化時(shí)須指向系統(tǒng)堆棧起始地址減1處．在任務(wù)切換之初，需要先把當(dāng)前任務(wù)的現(xiàn)場(chǎng)由系統(tǒng)堆棧復(fù)制保存到該任務(wù)的任務(wù)堆棧中。完成上述過(guò)程，需計(jì)算出SP-OSStkStart，得出堆棧長(zhǎng)度，并長(zhǎng)度值寫入任務(wù)堆棧映像最低地址空間；然后以SP-OSStkStart為長(zhǎng)度，以任務(wù)堆棧映像最低地址為目標(biāo)地址，以O(shè)SStkStart為起址，將系統(tǒng)堆棧的現(xiàn)場(chǎng)值拷貝到任務(wù)堆棧映像。

由于IAR編譯器自動(dòng)將函數(shù)編譯為可重入的，所以不需要在函數(shù)定義時(shí)加入關(guān)鍵字reentrant。編譯器在處理函數(shù)的可重入性時(shí)，會(huì)利用XSTACK仿真棧和虛擬寄存器，所以在進(jìn)行任務(wù)切換時(shí)也要保存。

用戶堆棧初始化時(shí)，堆棧從下向上依次保存：用戶堆棧長(zhǎng)度(26)，程序指針(PCL，PCH)，程序狀態(tài)字(PSW)，累加寄存器(ACC)，B寄存器，DPL，DPH，R寄存器(R0～R8)，虛擬寄存器(VB，V0～V8)，外部堆棧指針(XSPL，XSPH)。

1．2．3修改OS_CPU_ASM．ASM文件

此文件中需要自己編寫4個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)：

(1)使就緒態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)開(kāi)始執(zhí)行的OSStartHighRdy()函數(shù)；

(2)軟件模擬實(shí)現(xiàn)的任務(wù)切換函數(shù)OSCtxSw()；

(3)中斷級(jí)任務(wù)切換函數(shù)OSIntCtxSw()；

(4)系統(tǒng)時(shí)鐘資源提供函數(shù)OSTickISR()。

另外還需要定義8個(gè)虛擬寄存器和仿真堆棧XSTACK的棧頂指針XSP的地址。

OSTickISR()是一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍函數(shù)，它為系統(tǒng)提供一個(gè)時(shí)鐘資源來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)延和定時(shí)功能。為了保障系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，通常時(shí)鐘節(jié)拍的頻率設(shè)置在10～100 Hz之間。本次移植選用CC2530的T1定時(shí)器作為tick時(shí)鐘。大多數(shù)移植都是將本段函數(shù)以匯編形式寫在OS_CPU_ASM．ASM文件中，而本次移植將以C語(yǔ)言的形式放在C文件中，匯編過(guò)程由編譯器完成。代碼如下：

#pragma vector = T1_VECTOR

__interrupt void T1_ISR(void)

{IRCO．&= ～0x02；//清中斷標(biāo)示

OSIntEnter()；

OSTimeTick()；

OSIntExit()；

}

前3個(gè)函數(shù)其移植過(guò)程和代碼與MCS-51單片機(jī)基本相似，只是需要保存的寄存器不同，可以參考MCS-51單片機(jī)的移植，不再詳述。

2　模塊硬件設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)采用CC2530無(wú)線射頻芯片，以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線射頻數(shù)據(jù)的收發(fā)和滿足對(duì)各種傳感器數(shù)據(jù)采集的需要。文中只介紹了電源部分和CAN通信部分的設(shè)計(jì)，其他傳感器根據(jù)需要可以方便地?cái)U(kuò)展。

電源部分：由于CC2530和MCP2510工作電壓均為3．3 V，而且鑒于井下嚴(yán)酷的工作環(huán)境，數(shù)據(jù)采集器會(huì)受高溫、電磁干擾等影響。通過(guò)查詢，決定采用TPS63031作為3．3 V輸出的電壓轉(zhuǎn)換芯片，TPS63031的工作電壓范圍為2．4～5．5V，可輸出高達(dá)800mA的電流。由于CC2530容易受到電源波紋的影響，所以在3．3V的輸出后面增加了一個(gè)低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)[3]，用來(lái)濾除DC-DC模塊輸出的比較大的電源波紋，提高輸出電壓的穩(wěn)定性。電源原理圖如圖3所示。

圖3　電源模塊原理圖

CAN通信部分：采用MCP2510作為CAN控制器。CC2530與MCP2510采用SPI通信方式，MCP2510作為從器件，通信時(shí)鐘由CC2530提供。MCP2510的外部中斷管腳接CC2530的一個(gè)可檢測(cè)中斷的管腳，以實(shí)時(shí)響應(yīng)數(shù)據(jù)幀發(fā)送完成。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，SPI通信波特率最好設(shè)置為2 Mbps．另外，鑒于井下惡劣的通信環(huán)境，采用帶隔離的CTM8251A作為CAN收發(fā)器芯片，該芯片具有抗電子干擾和高壓瞬態(tài)保護(hù)功能。通信模塊硬件連接如圖4所示。

圖4　通信模塊硬件設(shè)計(jì)原理圖

3　模塊軟件設(shè)計(jì)

鑒于μC/OS-Ⅱ在任務(wù)處理方面的突出優(yōu)點(diǎn)，該次軟件設(shè)計(jì)選擇了基于μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)。

3．1系統(tǒng)軟件初始化

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先要對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行初始化，其中包括主要CC2530相關(guān)的無(wú)線寄存器初始化，時(shí)鐘初始化，SPI通訊端口初始化，各外圍模塊的初始化。然后初始化操作系統(tǒng)，其中包括初始化所有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分配任務(wù)堆?？臻g，然后建立任務(wù)間通信將要用到的的信號(hào)量或者消息隊(duì)列，進(jìn)而創(chuàng)建任務(wù)[4]。并且根據(jù)實(shí)際需要，為每個(gè)任務(wù)分配不同的運(yùn)行優(yōu)先級(jí)。在初始化時(shí)，將所有任務(wù)設(shè)置為就緒態(tài)，系統(tǒng)首先執(zhí)行最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)。在該次設(shè)計(jì)中，共設(shè)計(jì)了4個(gè)任務(wù)：數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)，數(shù)據(jù)處理任務(wù)，CAN數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)。數(shù)據(jù)的接收由CC2530的無(wú)線接收中斷完成。數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)負(fù)責(zé)通過(guò)SPI接口控制CAN控制器，實(shí)現(xiàn)CAN幀格式的數(shù)據(jù)收發(fā)。將數(shù)據(jù)以CAN幀格式發(fā)送出去。為了保證數(shù)據(jù)不丟失，需要將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)設(shè)置為最高優(yōu)先級(jí)。整個(gè)軟件系統(tǒng)的工作流程如圖5所示。初始化代碼如下：

void main()

{

HalInit()；//系統(tǒng)硬件初始化

OSInit()；//初始化系統(tǒng)軟件

ControlSem1=OSSemCreatr(0)；//創(chuàng)建信號(hào)量用于通知發(fā)送任務(wù)

DataMen=OSMemCreate(part，30，60，&err)；

OSTaskCreate(Task1，(void

*)0，&Task1Stk[0]，1)；//數(shù)據(jù)采集任務(wù)(含無(wú)線)

OSTaskCreate(Task2，(void

*)0，&Task1Stk[1]，2)；//數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)

OSTaskCreate(Task3，(void *)0，&Task2Stk[2]，5)；//數(shù)據(jù)處理任務(wù)

OSTaskCreate(Task4，(void *)0，&Task2Stk[3]，6)；//數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)

OSStart()；

}

圖5　系統(tǒng)的工作流程

3．2CAN通訊程序設(shè)計(jì)

MCP2510正常工作之前需要進(jìn)行正確的初始化，包括設(shè)置SPI接口的數(shù)據(jù)傳輸速率，CAN通信的波特率，MCP2510的接收過(guò)濾器和屏蔽寄存器以及發(fā)送和接收中斷允許標(biāo)志位。采用中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。每次發(fā)送或接收完1幀的數(shù)據(jù)，控制器都通過(guò)外部中斷告之CC2530單片機(jī)，以便進(jìn)行下一幀的數(shù)據(jù)處理。

(1)CAN控制器初始化。主要配置控制寄存器CANCTRL，位定時(shí)寄存器CNF，接收屏蔽寄存器RXFOSID，發(fā)送控制寄存器TXB0CTL，發(fā)送屏蔽寄存器TXBOSID，中斷使能寄存器CANINTF。

(2)CAN數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。在對(duì)MCP2510進(jìn)行任何操作之前，CC2530的P1_6管腳都需要拉低，使得MCP2510選通。只要通過(guò)SPI接口將待發(fā)送的數(shù)據(jù)填裝到CAN發(fā)送寄存器，然后下達(dá)數(shù)據(jù)發(fā)送命令。MCP2510將數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)的CAN鏈路層幀格式將數(shù)據(jù)發(fā)往總線。數(shù)據(jù)接收時(shí)通過(guò)SPI接口向控制器下達(dá)讀指令和地址碼。需要注意的是在執(zhí)行讀操作時(shí)，發(fā)送完讀指令及其地址碼之后，仍然需要向MCP2510提供時(shí)鐘，以接收“讀”到的數(shù)據(jù)[4]。

4　模塊功能測(cè)試

測(cè)試采用自制的無(wú)線數(shù)據(jù)采集模塊，該模塊的設(shè)計(jì)方案與文中提出的方案一致，完成無(wú)線數(shù)據(jù)接收，環(huán)境溫度采集處理。并通過(guò)CAN口發(fā)送出去。經(jīng)由KJJ43型傳輸接口，將CAN幀格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成RS-232幀格式。最終交予KLX5L(A)礦用信息礦燈顯示。測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)走向如圖6所示。

圖6測(cè)試數(shù)據(jù)流向

測(cè)試結(jié)果表明，數(shù)據(jù)能及時(shí)被采集到，并且被KLX5L(A)礦用信息礦燈穩(wěn)定顯示。

5　結(jié)束語(yǔ)

在CC2530芯片上移植μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，需要根據(jù)MCU的特定配置對(duì)系統(tǒng)源文件做相應(yīng)的修改，在調(diào)試過(guò)程中需要仔細(xì)。移植成功后，可以根據(jù)需求自己定制相關(guān)任務(wù)，甚至是對(duì)系統(tǒng)本身的調(diào)度機(jī)制做進(jìn)一步地修改。μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)在CC2530芯片上的成功移植，將為井下無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)管理提供有力的軟件支持。下一步將要把該采集板可插拔地內(nèi)置于KLX5L(A)智能礦燈內(nèi)，使該燈可以具有溫度，瓦斯?jié)舛?，加速度采集功能?/p>

參考文獻(xiàn)：

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