IO板及其軟件控制實(shí)現(xiàn)

薛磊，張珺，鄔明剛

（上海電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所有限公司，上海 200023）

IO板及其軟件控制實(shí)現(xiàn)

薛磊，張珺，鄔明剛

（上海電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所有限公司，上海 200023）

為使IO板功能能滿足日益增加的AFC終端系統(tǒng)的需求。采用AVR單片機(jī)設(shè)計(jì)模擬電路，在Atmel studio環(huán)境下開發(fā)軟件。經(jīng)過仿真調(diào)試，IO板性能達(dá)到預(yù)期。新概念的IO板性能的實(shí)現(xiàn)大大提高了AFC終端設(shè)備的工作效率，新型IO板將成為AFC發(fā)展道路中不可取代的元素。

自動(dòng)售檢票系統(tǒng)；IO輸入／輸出；PWM調(diào)制；多線程；單片機(jī)

single chip

0 引 言

軌道交通整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)中，自動(dòng)售檢票系統(tǒng)（Automatic Fare Collection簡(jiǎn)稱AFC系統(tǒng)）作為機(jī)械智能化設(shè)計(jì)的典型代表，不僅取代了售票員、檢票員、會(huì)計(jì)、統(tǒng)計(jì)、審計(jì)等人工操作員，而且通過準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)收集整理實(shí)現(xiàn)了票務(wù)和現(xiàn)金管理的高度自動(dòng)化［1］。隨著城市軌道交通的日新月異的發(fā)展，地鐵AFC系統(tǒng)的要求和需求也不斷的改變，AFC系統(tǒng)終端設(shè)備對(duì)于各個(gè)模塊工作時(shí)各種輸入與輸出信號(hào)處理的速度和準(zhǔn)確性要求也越來越高。因此，對(duì)于專門進(jìn)行批量高效信號(hào)處理的專用電路板——信號(hào)輸入輸出控制板（簡(jiǎn)稱IO板）的性能要求也越來越高。

為解決IO信號(hào)處理的高效性和準(zhǔn)確性的問題，本文將基于AVR的8系列單片機(jī)芯片為主控單元的硬件平臺(tái)，提出一種新型的IO板設(shè)計(jì)方案，并采用多線程的嵌入式軟件技術(shù)和準(zhǔn)確的信號(hào)處理邏輯算法來加以實(shí)現(xiàn)。

1 IO輸入／輸出控制

對(duì)于IO板的AVR芯片進(jìn)行編程后，程序通過片選信號(hào)選通IO板電路某片區(qū)域，這個(gè)時(shí)候，IO板的芯片可以對(duì)這一路的信號(hào)進(jìn)行采集或者輸出控制操作。

IO板輸入端、輸出端均具有多路信號(hào)，操作時(shí)需要多次片選，程序要獲得實(shí)時(shí)的輸入信號(hào)，需要利用AVR芯片的定時(shí)器設(shè)置時(shí)間片，使IO板每隔一個(gè)時(shí)間片就獲取一次實(shí)時(shí)的IO輸入信號(hào)，這些IO輸入信息會(huì)存入相應(yīng)的地址以便上位機(jī)調(diào)用。

IO輸出由串口控制，串口接收到上位機(jī)相應(yīng)的IO輸出命令后，IO板會(huì)根據(jù)命令進(jìn)行片選讓目標(biāo)管腳進(jìn)行輸出操作［2］。

2 PWM調(diào)制

AFC系統(tǒng)的終端設(shè)備中，涉及到許多需要通過IO板來進(jìn)行控制的電磁鐵，如自動(dòng)售票機(jī)的硬幣投幣口、自動(dòng)檢票機(jī)的回收口等等，由于電磁鐵的自身特性，無法長(zhǎng)期持續(xù)地接收高電平信號(hào)，否則將因?yàn)闇囟冗^高、負(fù)荷過大而損壞，因此，本文設(shè)計(jì)的IO板采用PWM調(diào)制的技術(shù)手段來解決向電磁鐵輸出IO信號(hào)的問題。當(dāng)使用PWM脈沖寬度調(diào)制時(shí)，IO板對(duì)電磁鐵輸出一個(gè)占空比可控的PWM方波，電磁鐵工作時(shí)則不必持續(xù)地接收高電平信號(hào)，這樣電磁鐵的負(fù)擔(dān)大大降低，電磁鐵的溫度也能夠控制在一個(gè)相對(duì)較低的范圍，壽命也因此加長(zhǎng)［3］。

IO板利用AVR8系列單片機(jī)芯片的8位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器T／C0輸出PWM波。T／C0是一個(gè)通用的、單通道8位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器模塊。

相位修正PWM模式：

相位修正PWM模式（WGM01：0＝1）基于雙斜波操作，為用戶提供一個(gè)獲得高精度相位修正PWM波形的方法。計(jì)數(shù)器重復(fù)地從BOTTOM計(jì)數(shù)到MAX計(jì)數(shù)器時(shí)若發(fā)生TCNT0與OCR0的匹配，OC0將清零為低電平；而在計(jì)數(shù)器往BOTTOM計(jì)數(shù)時(shí)若發(fā)生了TCNT0與OCR0的匹配，OC0將置位為高電平。工作于反向輸出比較時(shí)，則正好相反。與單斜波操作相比，雙斜波操作可獲得的最大頻率要小。但由于其對(duì)稱的特性，十分適合于電機(jī)控制。

相位PWM模式的PWM精度固定為8比特。計(jì)數(shù)器不斷地累加到MAX，然后開始減計(jì)數(shù)。在一個(gè)定時(shí)器時(shí)鐘周期里TC-NT0的值等于MAX。時(shí)序如圖1所示。圖1中TCNTn的數(shù)值用斜線圖表示，以說明雙斜線操作。本圖同時(shí)說明了普通PWM的輸出和反向PWM輸出。TCNTn斜線上的小橫條表示OCR0和TCNT0的匹配。

圖1 相位修正PWM模式時(shí)的計(jì)數(shù)器時(shí)序圖

當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到BOTTOM時(shí)，T／C溢出標(biāo)志位TOV0置位。此標(biāo)志位可用來產(chǎn)生中斷。工作于相位修正PWM模式時(shí)，比較單元可以在OC0引腳產(chǎn)生PWM波形；將COM01：0設(shè)置為2，產(chǎn)生普通相位的PWM；設(shè)置COM01：0為3，產(chǎn)生反向PWM信號(hào)。實(shí)際的OC0數(shù)值只有在端口設(shè)置為輸出時(shí)才可以在引腳上出現(xiàn)。OCR0和TCNT0比較匹配發(fā)生時(shí)，OC0寄存器將產(chǎn)生相應(yīng)的清零或置位得：

式中變量N標(biāo)識(shí)預(yù)分頻因子（1、8、32、64、128、256或1 024）。

這樣通過計(jì)算給OCR0賦值就可以在IO板輸出相應(yīng)頻率PWM波，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁鐵的控制。

3 通行邏輯控制

閘機(jī)是地鐵AFC系統(tǒng)中直接面對(duì)乘客的十分重要的前端收費(fèi)設(shè)備，乘客通過閘機(jī)進(jìn)出地鐵付費(fèi)區(qū)和非付費(fèi)區(qū)。閘機(jī)運(yùn)行是否正常，不僅影響到地鐵在廣大乘客中的形象，而且也更直接影響到地鐵的票務(wù)收益。如何讓持有效車票的乘客快速、安全的通過閘機(jī)，并合理地阻擋持無效車票的乘客和試圖作弊的乘客，是閘機(jī)通行邏輯設(shè)計(jì)的目標(biāo)。因此，閘機(jī)通行邏輯技術(shù)是閘機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵［4］。下面介紹一種以IO板進(jìn)行對(duì)通行邏輯模塊的控制方案。

IO板控制閘機(jī)扇門時(shí)，需通過扇門的通行邏輯模塊來進(jìn)行信號(hào)處理。IO板通過對(duì)通行邏輯板的輸入／輸出，可實(shí)現(xiàn)對(duì)扇門進(jìn)行相應(yīng)的操作。

IO輸入控制：

當(dāng)扇門處于打開狀態(tài)時(shí)，通行邏輯板能通過光電傳感器進(jìn)行檢測(cè)，判斷是否有人通過，若判斷有1人通過則通行邏輯板會(huì)對(duì)IO板的Pack＿B端輸入一個(gè)100ms的低電平信號(hào)，若有N人通過則通行邏輯板會(huì)發(fā)出N個(gè)100ms的低電平信號(hào)。電路原理如圖2所示，Pack＿B端無操作時(shí)默認(rèn)輸入24 V，此時(shí)光電二極管TLP181處于導(dǎo)通狀態(tài)，所以此時(shí)IO輸入端IN18為低電平；而當(dāng)通行邏輯板對(duì)Pack＿B輸出低電平信號(hào)時(shí)，光電二極管TCP181閉合，電容C49放電，IO輸入端IN18為高電平。

若要實(shí)現(xiàn)放行多個(gè)人通過時(shí)，則需要對(duì)Pack＿B低電平進(jìn)行計(jì)數(shù)，這就需要通過底層程序去完成。具體操作方式是捕獲IO輸入端IN18的實(shí)時(shí)狀態(tài)后存入AVR單片機(jī)的寄存器，然后將前后狀態(tài)進(jìn)行比較，若出現(xiàn)了上升沿則，Pack＿B計(jì)數(shù)加1，否則計(jì)數(shù)不變。代碼實(shí)現(xiàn)：

圖2 Pack＿B端電路原理圖

IN18new＝PIND＆0x02； ／／獲取IN18的實(shí)時(shí)狀態(tài)并存入IN18new

PackB＋＝！IN18old＆＆IN18new； ／／通過前后狀態(tài)對(duì)比，計(jì)算上升沿次數(shù)

IN18old＝IN18new； ／／更新IN18的實(shí)時(shí)狀態(tài)

IO輸出控制：

IO板對(duì)通行邏輯板Paut＿B端輸出一個(gè)100 ms低電平信號(hào)時(shí)，可以控制扇門，使扇門從閉合狀態(tài)打開。電路原理如圖3所示，IO端Out14常態(tài)輸出高電平，此時(shí)光電二極管不導(dǎo)通，MOS管也不導(dǎo)通，Paut＿B被拉高；而當(dāng)IO端Out14輸出低電平時(shí)，光電二極管導(dǎo)通，MOS管導(dǎo)通，此時(shí)Paut＿B變?yōu)榈碗娖剑?］。

圖3 Paut＿B端電路原理圖

4 多線程處理的實(shí)現(xiàn)

Atmega128單片機(jī)內(nèi)部提供兩個(gè)10位的預(yù)定比例分頻器，一個(gè)給T／C0獨(dú)自用，另一個(gè)給其他3個(gè)T／C共用。

軟件設(shè)計(jì)時(shí)，程序給每個(gè)任務(wù)都設(shè)置了時(shí)間片，通過使用AVR單片機(jī)的定時(shí)器1，定時(shí)器1每1ms中斷溢出時(shí)對(duì)任務(wù)時(shí)間片函數(shù)作處理，判斷即將運(yùn)行的任務(wù)，如此反復(fù)，則可以通過程序任務(wù)的時(shí)間片處理來實(shí)現(xiàn)多線程處理。定時(shí)器1的處理函數(shù)如下：

其中TaskComps［i］的內(nèi)容為各個(gè)任務(wù)子函數(shù)，ItvTimer為任務(wù)運(yùn)行的時(shí)間間隔，TaskComps［i］．Run為任務(wù)可執(zhí)行標(biāo)志，當(dāng)任務(wù)子函數(shù)Run為“1”時(shí)，任務(wù)為可執(zhí)行狀態(tài)［6］。

5 結(jié)束語

IO板邏輯處理和多線程任務(wù)處理的實(shí)現(xiàn)，能夠增加AFC各終端設(shè)備的工作協(xié)調(diào)性以及工作效率，同時(shí)減少各模塊處理IO的壓力，減少錯(cuò)誤，降低資源消耗，使得AFC設(shè)備的運(yùn)行更穩(wěn)定可靠。

［1］鄧先平，陳鳳敏．我國(guó)城市軌道交通AFC系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展［J］．都2011．

［2］于正林，蘇成志，曹國(guó)華．AVR單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009．

［3］孫孝峰，王立喬．三相變流器調(diào)制與控制技術(shù)［M］．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010．

［4］羅煌，洪瀾．SSH框架的AFC測(cè)試管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．軌道交通縱橫，2011，24（4）．32－34．

［5］沈建良，趙文宏，賈玉坤．ATmega128單片機(jī)入門與提高［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009．

［6］周興華．AVR單片機(jī)C語言高級(jí)編程設(shè)計(jì)［M］．北京：中國(guó)電力出版社，

The IO Board and the Realization of its Software Control

XUE Lei，ZHANG Jun，WU Ming-gang
（Shanghai Electrical Automation Design＆Research Institute Co．，Ltd．，Shanghai200023，China）

Tomake the IO board meet the ever－increasing demand of the AFC terminal system，we adopt the AVR single chip machine to design an analog circuit and develop software in Atmel studio environment．Through simulation and debugging，the IO board can perform the expected performance．The performance of the new concept of IO board greatly increases the working efficiency of the AFC terminal system，and the novel IO board will become an irreplaceable element in the future development of AFC．

AFC；input／output；PWM modulation；multi-threading；

10．3969／j·issn．1000－3886．2014．04．031

TP368

A

1000－3886（2014）04－0091－02

薛磊（1977－）女，上海人，工程師，研究方向：設(shè)備監(jiān)控。

張珺（1981－）女，江蘇鎮(zhèn)江人，工程師，研究方向：智能控制。市快軌交通．2005，18（3）：18－21．

定稿日期：2014－04－10

本項(xiàng)研究工作得到了上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)的資助，資助課題編號(hào)為12DZ2250900