基于CC2541的分布式控制系統(tǒng)

張守坤+項一丹

摘要：隨著工業(yè)科技的發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模逐漸擴大，人力已經(jīng)無法滿足需求，使得在一些大型自動化控制設(shè)備中需要實時監(jiān)控，引用分布式控制。分布式控制系統(tǒng)因其具有控制分散和管理集中的顯著特點被作為當(dāng)今工業(yè)過程控制領(lǐng)域的主要控制系統(tǒng)之一。由于分布不集中、集成難度大，分布式控制系統(tǒng)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(tǒng)，系統(tǒng)以一顆CC2541芯片作為主機，其他分布式控制節(jié)點采用從機模式，它主要負責(zé)處理數(shù)據(jù)、運行控制算法，控制執(zhí)行部件。

關(guān)鍵詞：分布式控制；CC2541；主機；從機

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

1 概述

分布式控制系統(tǒng)隨著計算機技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大型的生產(chǎn)制造工作中，是先進制造技術(shù)與信息化技術(shù)相結(jié)合的典型應(yīng)用實例。藍牙屬于近場通訊，應(yīng)用場合一般為室內(nèi)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(yōu)點。藍牙通信協(xié)議使用的是協(xié)議棧BLE-CC254x-1.4.0。

標(biāo)準藍牙技術(shù)是一種“面向連接”的無線技術(shù)，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(shù)采用可變連接時間間隔，這個間隔根據(jù)具體應(yīng)用可以設(shè)置為幾毫秒到幾秒不等。另外，因為BLE技術(shù)采用非?？焖俚倪B接方式，因此平時可以處于“非連接”狀態(tài)（節(jié)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(nèi)關(guān)閉鏈路。

CC2541是一款針對Bluetooth低功耗以及私有2.4GHz應(yīng)用的功率優(yōu)化的真正片載系統(tǒng)（SoC）解決方案。它使得使用低總體物料清單成本建立強健網(wǎng)絡(luò)點成為可能。CC2541將領(lǐng)先RF收發(fā)器的出色性能和一個業(yè)界標(biāo)準的增強型8051MCU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存存儲器、8KBRAM和很多其他功能強大的特性和外設(shè)組合在一起。

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

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)主機為TI公司的CC2541芯片以及外設(shè)構(gòu)建的主機模式，從機同樣是由CC2541為核心芯片構(gòu)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(jīng)綁定的設(shè)備發(fā)送的信號，就可以執(zhí)行相應(yīng)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(tài)，等到主機發(fā)送連接請求，從機接收到連接請求之后，發(fā)送掃描相應(yīng)到主機，主機發(fā)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(wù)進行過濾，，過濾掉一些不是在整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，導(dǎo)致發(fā)送命令之后，對應(yīng)的子機沒有動作響應(yīng)，出現(xiàn)錯誤現(xiàn)象。所以在配對過程中，主機會過濾掉一些其他設(shè)備，保證在整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中都是在設(shè)計的環(huán)境中的設(shè)備。

在整個設(shè)備初始的過程中，設(shè)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(shù)設(shè)置，包括藍牙設(shè)備名稱、藍牙發(fā)射功率、藍牙最大連接數(shù)、藍牙在未連接的狀態(tài)下的超時時間、藍牙設(shè)備連接時間、藍牙設(shè)備要執(zhí)行動作的優(yōu)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(tài)變成已連接的狀態(tài)，在設(shè)備發(fā)生連接綁定的過程之后，設(shè)備不會被發(fā)現(xiàn)，只有主動斷開連接，設(shè)備才會重新被發(fā)現(xiàn)，可以進行下一次的連接。藍牙設(shè)備在被發(fā)現(xiàn)和到連接的狀態(tài)，時間很短這就可以保證每一次設(shè)備關(guān)機之后，設(shè)備斷開連接之后，在新一次開機后，設(shè)備又會被快速連接，在設(shè)備連接成功之后，就可以執(zhí)行分布式控制的任務(wù)。藍牙設(shè)備的連接工程如圖2所示。

2.2 CC2541操作系統(tǒng)

CC2541是采用的OSAL類操作系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)的調(diào)度分配，osal包括任務(wù)、事件、消息機制、回掉函數(shù)、HAL。一臺設(shè)備中有多個任務(wù)，一個任務(wù)中有16個事件，消息用于不同任務(wù)之間的傳遞。SimpleBLEPeripheral工程中從底層的LL層到應(yīng)用的Application層，一共分為有12個任務(wù)，每個任務(wù)會分配一個事件管理的變量，變量統(tǒng)一存在。其中，越底層的優(yōu)先級越高，應(yīng)用層的優(yōu)先級是最低的。在應(yīng)用層可以添加各種自定義的動作，來滿足程序的設(shè)計要求，滿足系統(tǒng)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(tǒng)，遍歷所有的任務(wù)，查看是否有事件發(fā)生，然后執(zhí)行相應(yīng)的動作。在Osal系統(tǒng)初始化完畢之后，可以對整個系統(tǒng)中的人物執(zhí)行操作，執(zhí)行事件，在整個系統(tǒng)中沒有任何事件執(zhí)行的時候，系統(tǒng)會自動進入休眠狀態(tài)，知道外部喚醒整個系統(tǒng)。外部中斷喚醒系統(tǒng)，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(fā)往引用層，最終在引用層對案件進行處理，喚醒系統(tǒng)。如圖4所示。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

整個系統(tǒng)以CC2541為主控芯片，以及一系列外設(shè)輔助完成。在整個系統(tǒng)中，主機主要負責(zé)任務(wù)的分配，讓相應(yīng)的子機完成對應(yīng)的動作。子機主要處理硬件驅(qū)動方案、控制算法、返回控制命令到主機以及接收主機發(fā)送的命令。主機和子機之間的消息發(fā)送通過RF電路，發(fā)送和接收指令，以達到整個系統(tǒng)的設(shè)計功能。在整個系統(tǒng)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(shè)計中能夠減少很多由線路帶來的問題。

4 結(jié)束語

在整個分布式控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)方式主要是用can總線，can總線在整個工業(yè)設(shè)計中經(jīng)過長時間的使用，穩(wěn)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(wěn)定的信號傳輸，在現(xiàn)代硬件智能化時代，藍牙設(shè)備使用的次數(shù)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。

參考文獻：

[1] 李子強. 分布式數(shù)字廣播系統(tǒng)的設(shè)計[J/OL]. 機電工程技術(shù)，2017（S2）：353-356.

[2] 曲祉雙. 基于ARM的分布式控制系統(tǒng)控制器的硬件設(shè)計[D].哈爾濱理工大學(xué)，2017.

[3] 李有文，余建華，胡琳. 基于CC2541藍牙技術(shù)的雙向防丟器設(shè)計[J]. 機械工程與自動化，2016（4）：194-195+197.

[4] 吳釗炯. 基于CC2541的藍牙電子標(biāo)簽的設(shè)計[J/OL]. 機電工程技術(shù)，2016，（Z1）：67-70.

[5] 許毅強，樊明輝，王量弘. 基于藍牙4.0的心電信號采集和處理系統(tǒng)設(shè)計[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2016，16（7）：57-59.

[6] 王旭東，朱蘊璞. 基于ARM多處理器的CAN總線分布式控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 國外電子測量技術(shù)，2015，34（5）：52-55.

[7] 費繼友，冷萬龍，白鑫. 基于CAN總線的ARM分布式數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2010（10）：67-69.

[8] 張巖，馬旭東，張云帆. ARM與DSP的SPI通信設(shè)計實現(xiàn)[J]. 工業(yè)控制計算機，2008（9）：56-57+66.