基于μC/OS—II的絞車控制信號裝置人機交互系統(tǒng)設(shè)計

穆莉莉　倪申翔　薛程光

摘要：為提高煤礦井下斜巷提升絞車的安全運行及信號自動控制，設(shè)計了一種基于嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II的絞車控制信號裝置串口屏人機交互系統(tǒng)。系統(tǒng)基于Cortex-M3內(nèi)核微控制器STM32F101C8T6硬件平臺，采用μC/OS-II實現(xiàn)絞車控制器與串口屏的數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)了絞車斜巷中各聲光信號器歷史數(shù)據(jù)記錄、當前狀態(tài)顯示、打點、語音播報及絞車電機實時控制等。實驗表明，采用μC/OS-II進行人機交互及絞車控制等多任務(wù)管理，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高了系統(tǒng)控制的實時性。

關(guān)鍵詞：μC/OS-II；絞車控制；串口屏；人機交互

中圖分類號：TD534.6文獻標志碼：A文章編號：1672-1098（2014）04-0068-05

目前國內(nèi)煤礦井下斜巷提升普遍采用聲光信號器和絞車控制信號裝置手動發(fā)送打點和語音信號的方式來對絞車進行控制[1]。在該方式下，信號把鉤工與絞車司機通過打點音和語音通話及時反饋斜巷狀況，相對早期的打點器和電鈴有很大的進步[2]，但對于布置多臺聲光信號器的長距離運輸斜巷，存在多臺聲光信號器同時發(fā)送控制信號的情況發(fā)生，絞車司機將無法準確區(qū)分具體打點和語音位置，并且絞車控制信號裝置無打點、語音和絞車運行記錄功能，不利于提高生產(chǎn)調(diào)度與管理。因此設(shè)計一種絞車控制信號裝置，通過人機交互系統(tǒng)實時顯示和記錄井下斜巷工作面狀況將成為提高煤礦產(chǎn)業(yè)信息化和安全性的一種發(fā)展趨勢[3]。

串口屏由于其簡單的通訊接口和友好的多功能觸摸界面的集成化設(shè)計，已廣泛運用于人機界面中。在與串口屏通訊的過程中，以往的方式均采用前、后臺系統(tǒng)，在處理多任務(wù)時，系統(tǒng)的實時性無法得到保證[4]。因此，在所研制的一種絞車控制信號裝置上，對人機交互系統(tǒng)進行了詳細設(shè)計。采用了基于Cortex-M3內(nèi)核微控制器（STM32F101C8T6）硬件平臺，結(jié)合嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II對系統(tǒng)多機多任務(wù)進行管理，以提高系統(tǒng)控制的實時性，最終實現(xiàn)了對絞車控制裝置網(wǎng)絡(luò)中不同任務(wù)的實時顯示和歷史記錄保存。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計

11串口屏介紹

串口屏由于內(nèi)部嵌入32位處理器，集成化程度高，本身就是一個獨立的系統(tǒng)，用戶只需利用單片機串口發(fā)送相應(yīng)的指令，就可以實現(xiàn)圖片、文本和曲線的顯示，給用戶設(shè)計帶來極大的方便。

選用廣州大彩公司的工業(yè)串口屏DC48270S043-01，串口屏內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，其內(nèi)部采用Cortex-M3+FPGA雙核設(shè)計，功能強大，可以提供USB口工程下載、發(fā)送和接收串口指令緩存區(qū)數(shù)據(jù)、控制矩陣鍵盤和RTC實時時鐘等外設(shè)。FPGA主要實現(xiàn)NandFlash讀取和TFT-LCD控制顯示。

圖1串口屏內(nèi)部結(jié)構(gòu)12系統(tǒng)電路設(shè)計

為實現(xiàn)主機與串口屏間始終處于實時高效和準確無誤的通訊狀態(tài)，采用了如圖2所示的系統(tǒng)構(gòu)架。其中，主機與串口屏分別采用33 VDC和12 VDC供電。主機微控制器選用ARM公司生產(chǎn)的基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F101C8T6，該微控制器性價比較高，工作頻率最高達36 MHz，具有64kFlash，10kSRAM， 2個通用定時器，3個串口，57個IO口等，豐富的外設(shè)滿足了系統(tǒng)設(shè)計要求。

系統(tǒng)主時鐘源選用8 MHz頻率高速外部振蕩器。實時時鐘源選用32768 kHz頻率低速外部振蕩器，它們?yōu)橄到y(tǒng)提供了準確的時鐘頻率；利用JTAG接口在線調(diào)試及代碼下載與調(diào)試節(jié)省了大量的調(diào)試時間；串口屏的DIN和DOUT口選用TTL串口通信方式直接與主控制器的USART1的PA9、PA10接口連接進行數(shù)據(jù)通訊，節(jié)省了RS232電平轉(zhuǎn)TTL電平電路的設(shè)計。

圖2人機交互系統(tǒng)電路示意圖2系統(tǒng)軟件設(shè)計

21系統(tǒng)功能介紹

結(jié)合斜巷中絞車控制信號裝置（主機）和多聲光信號器（分機）相互傳送打點、語音信號的方式，對人機交互系統(tǒng)的功能做了規(guī)劃（見圖3）。主機接收各臺分機發(fā)送的打點、講話等觸發(fā)事件信號的同時，串口屏使用圖標控件實時顯示各分機的通訊狀態(tài)，并利用串口屏內(nèi)部128KFlash對分機事件進行記錄。串口屏矩陣鍵盤和按鈕等控件主要是上傳更新通知至主機，控制絞車運行及主機打點、講話等事件地觸發(fā)、顯示與記錄。

圖3系統(tǒng)功能圖22串口屏指令集

DC48270S043-01串口屏的指令集包括組態(tài)控件指令集和基本指令集，指令幀如表1所示，由幀頭（EE）、指令、指令參數(shù)、幀尾（FF FC FF FF）組成，其中指令數(shù)值為十六進制。若指令參數(shù)大于一個字節(jié)，采用高字節(jié)在前，低字節(jié)在后的方式發(fā)送。組態(tài)控件指令包括：按鈕控件ID值上傳、更新文本控件、動畫控件顯示和圖標控件等；基本指令包括：矩陣鍵盤控制、Flash讀寫和讀取RTC時鐘等。

表1串口屏指令幀

指令集指令指令參數(shù) 矩陣鍵盤12/13K1 Flash讀寫88/87Adr4 L2/Adr4 Dn 讀RTC82＼ 文本B1 11Sid2 Cid2 11 Sn 圖標B1 26Sid2 Cid2 00/01 Id1 動畫B1 20Sid2 Cid2 23指令幀的發(fā)送與接收

串口屏指令幀的接收與發(fā)送采用主微控制器串口1外設(shè)中斷方式，指令幀的接收是先將指令緩入緩存區(qū)rdata[QUEUE-MAX-SIZE]，然后通過判斷幀頭、幀尾定時循環(huán)地從指令緩入緩存區(qū)中提取串口屏發(fā)送至主機的每條指令幀，相關(guān)代碼如下：

u8 data=USART1->DR；

/*串口1接受一個字節(jié)數(shù)據(jù)*/

queue-push（data）；/*緩入rdata緩存區(qū)*/

if（queue-find-cmd（buf，len）> 0）；/*指令幀幀頭和幀尾判斷，為真時進行指令類型判斷，buf：緩沖區(qū)指針，len：指令幀長度*/

由于串口屏每條指令幀包含字節(jié)數(shù)量較大，當各分機與主機間通訊頻繁時，若采用主微控制器串口直接發(fā)送每個字節(jié)，則占用了系統(tǒng)大量時間，因此系統(tǒng)的實時性無法得到保證。本設(shè)計中主機根據(jù)各分機發(fā)送的通訊信號，先將待發(fā)送的指令幀先依次寫入發(fā)送環(huán)形緩沖區(qū)cmd-buffer[CMD-MAX-BUFFER]，系統(tǒng)定時循環(huán)檢測緩沖區(qū)不空，并在串口發(fā)送中斷服務(wù)函數(shù)中采用先入先出的方式，逐個發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)的每個指令字節(jié)至串口屏，相關(guān)代碼如下：

sendToBuf（p，num）；

/*寫入環(huán)形緩沖區(qū)，p為指令幀指針，num為指令幀字節(jié)數(shù)*/

readFromBuf（void）；

/*依次從環(huán)形緩沖區(qū)讀取一個字節(jié)數(shù)據(jù)，發(fā)送至串口屏*/

24系統(tǒng)程序設(shè)計

采用實時操作系統(tǒng)μC/OS-II作為STM32F101C8T6的片上操作系統(tǒng)（見圖4），相對前、后臺系統(tǒng)，系統(tǒng)實時性和多任務(wù)管理能力得到了很大的提高。

圖4程序流程圖

系統(tǒng)首先對硬件和操作系統(tǒng)進行初始化，包括初始化主微控制器時鐘和systick定時器，初始化串口，初始化操作系統(tǒng)初始變量等。初始化函數(shù)如下：

Stm32-Clock-Init（9）；//時鐘初始化

SysTick-Init（72）；//systick定時器初始化

uart-init（72，9600）；//串口初始化

OSInit （void）；//操作系統(tǒng)初始化變量初始化

其次創(chuàng)建系統(tǒng)任務(wù)和事件，并掛起部分任務(wù)，系統(tǒng)按優(yōu)先級先后順序依次對串口屏通訊、矩陣鍵盤、按鈕控件處理、讀RTC時鐘、Flash讀寫和分機信號處理等任務(wù)進行調(diào)度。任務(wù)之間的通信事件采用信號量、郵箱和消息隊列機制，部分函數(shù)如下：

OSTaskCreate（lcd-task，（void*）0，（OS-STK*）&LCD-TASK-STK[LCD-STK-SIZE-1]，LCD-TASK-PRIO）；

/*創(chuàng)建串口屏指令幀接收與發(fā)送任務(wù)*/

OSTaskSuspend（KEY-TASK-PRIO）；

/*掛起矩陣鍵盤任務(wù)*/

F-Semp=OSSemCreate（1）；

/*創(chuàng)建信號量*/

WF-Box=OSMboxCreate（（void *）0）；

/*創(chuàng)建寫flash郵箱*/

S-Q=OSQCreate（&MsgGrp[0]，N-MESSAGES）；

/*創(chuàng)建分機事件信號消息隊列*/

…

最后系統(tǒng)對不同優(yōu)先級任務(wù)進行調(diào)度，各任務(wù)按優(yōu)先級順序內(nèi)容如下：

Lcd-task：20ms循環(huán)執(zhí)行，接收到串口屏指令幀后，使用findcmd函數(shù)解讀后恢復key-task、button-task、RF-task任務(wù)；

Rtc-task：100ms循環(huán)執(zhí)行，對串口屏內(nèi)部時鐘數(shù)據(jù)的進行讀取后，發(fā)送至T-Box郵箱，用于記錄主分機的通訊時間；

key-task：Lcd-task恢復后執(zhí)行，判斷主機打點、講話信號，絞車開停，觸發(fā)相應(yīng)事件動作后向各分機發(fā)送事件信號，并發(fā)送對應(yīng)的圖標控件指令幀至發(fā)送環(huán)形緩沖區(qū)，執(zhí)行完成后掛起該任務(wù)；

button-task：Lcd-task恢復后執(zhí)行，判斷串口屏記錄查詢按鈕控件ID值為真后請求RF-Box郵箱和信號量F-Semp，獲得權(quán)限后發(fā)送更新文本控件指令幀發(fā)送環(huán)形緩沖區(qū)，執(zhí)行完成后掛起該任務(wù)；

RF-task：Lcd-task恢復后執(zhí)行，讀取串口屏內(nèi)部Flash數(shù)據(jù)并發(fā)送至RF-Box郵箱成功后，釋放信號量F-Semp，執(zhí)行完成后掛起該任務(wù)；

Ext-task： 100ms循環(huán)執(zhí)行，從消息隊列S-Q中提取分機信號后，發(fā)送至WF-Box郵箱并恢復WF-task任務(wù)；

WF-task：Ext-task恢復后執(zhí)行，同時請求WF-Box郵箱和T-Box郵箱后，發(fā)送寫記錄到Flash的指令幀至發(fā)送環(huán)形緩沖區(qū)，執(zhí)行完成后掛起該任務(wù)；

其中，串口1發(fā)送接收完成中斷服務(wù)函數(shù)USART1-IRQHandler可隨時打斷上述任務(wù)的執(zhí)行，按字節(jié)接收串口屏指令幀并發(fā)送至接收指令緩存區(qū)，使用readFromBuf函數(shù)將發(fā)送環(huán)形緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)送至串口顯示或記錄。

3人機交互界面

絞車控制信號裝置人機交互界面主要分為主分機與絞車運行界面（見圖5）和歷史記錄查詢界面（見圖6）。

圖5主分機與絞車運行界面

圖6歷史記錄查詢界面

交互界面中用到的按鈕、圖標和文本等控件的數(shù)量近30個，不同的控件類型，需發(fā)送的指令幀格式不同；不同分機號，需發(fā)送的指令幀內(nèi)容不同，因此系統(tǒng)通過串口與顯示屏交互時，易發(fā)生通信堵塞，處理事件繁索等問題。由于μC/OS-II操作系統(tǒng)在任務(wù)調(diào)度和時間管理方面的優(yōu)異性能，外加串口屏內(nèi)部設(shè)有4 kB的指令緩沖區(qū)，有效的避免了此類狀況的發(fā)生，用戶在使用該人機交互界面時，實時狀態(tài)顯示及時，觸摸響應(yīng)靈敏，不會產(chǎn)生死機現(xiàn)象，基本上滿足了煤礦井下設(shè)備的安全使用要求。

4結(jié)論

本系統(tǒng)在采用精簡內(nèi)核的嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II對系統(tǒng)多任務(wù)進行調(diào)度，在減少系統(tǒng)代碼量和提高系統(tǒng)實時性的同時，增強了系統(tǒng)的模塊化設(shè)計，系統(tǒng)調(diào)試通過，現(xiàn)已穩(wěn)定運行于現(xiàn)場。

所設(shè)計的μC/OS-II的串口屏人機交互系統(tǒng)通用性高，還可廣泛應(yīng)用于其他中小型礦用電器設(shè)備控制系統(tǒng)中，比如礦用蓄電池監(jiān)控設(shè)備、礦用充電機及礦用通風監(jiān)控系統(tǒng)等。

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（責任編輯：何學華，吳曉紅）