1 引言

煤炭作為我國(guó)的基礎(chǔ)能源，占到國(guó)內(nèi)能源消費(fèi)的近四分之三，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展中起著重要的作用。煤炭生產(chǎn)安全事關(guān)國(guó)計(jì)民生，安徽省1966～2003年煤礦事故中，運(yùn)輸事故死亡750人，占17%。運(yùn)輸是煤礦生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，從運(yùn)輸巷道的布置情況來(lái)分，有立井、斜井、平巷3種運(yùn)輸形式。在斜井運(yùn)輸中，由于超載、失修、誤操作等原因，發(fā)生提升車(chē)輛斷繩、脫鉤現(xiàn)象，使運(yùn)行的車(chē)輛沿斜井軌道向下的加速運(yùn)動(dòng)，即所謂的斜井跑車(chē)。煤礦安全規(guī)程規(guī)定：在斜井串車(chē)提升井巷中，必須安設(shè)能夠?qū)⑦\(yùn)行中斷繩、脫鉤的車(chē)輛阻止住的跑車(chē)防護(hù)裝置。

斜井提升跑車(chē)防護(hù)裝置一般有傳感器、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和擋車(chē)器等幾部分組成。其中正確靈敏地拾取跑車(chē)信號(hào)并發(fā)出控制指令是跑車(chē)防護(hù)裝置發(fā)揮作用的關(guān)鍵;現(xiàn)有的斜井跑車(chē)防護(hù)裝置中有機(jī)械聯(lián)鎖原理的、PLC作為控制器的，電子電路作為控制器的，存在著壽命短、維修量大、算法不靈活、抗干擾能力差等缺陷。本設(shè)計(jì)提出了一種基于32位ARM 7微處理器LPC2119和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ的斜井防跑車(chē)裝置控制器實(shí)現(xiàn)方法。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 裝置組成

該防護(hù)裝置是一種常閉型裝置，由控制器、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、擋車(chē)裝置和測(cè)速與到位傳感器構(gòu)成。如圖1所示。

傳感器A，B完成礦車(chē)速度測(cè)定及方向識(shí)別，傳感器C完成機(jī)車(chē)下行時(shí)發(fā)出放下?lián)踯?chē)裝置信號(hào)或機(jī)車(chē)上行時(shí)發(fā)出提起擋車(chē)裝置信號(hào)，傳感器E，F(xiàn)分別用于檢測(cè)擋車(chē)裝置提升和下放到位信號(hào)。

當(dāng)?shù)V車(chē)以正常速度行車(chē)時(shí)，擋車(chē)裝置自動(dòng)開(kāi)啟讓礦車(chē)通過(guò)，然后自動(dòng)關(guān)閉擋車(chē)裝置。當(dāng)發(fā)生跑車(chē)或脫車(chē)等情況，由于速度異常擋車(chē)裝置閉合，將礦車(chē)擋住。

2.2 控制器設(shè)計(jì)

控制器通過(guò)傳感器A，B獲得機(jī)車(chē)速度，通過(guò)傳感器C獲得機(jī)車(chē)運(yùn)行位置，并實(shí)時(shí)提升或放下?lián)踯?chē)裝置，通過(guò)傳感器E，F(xiàn)獲得擋車(chē)裝置位置信號(hào)。同時(shí)通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定防護(hù)速度，一般情況運(yùn)行速度不大于4 m/s。本控制器以LPC2119為核心，由最小系統(tǒng)、輸入通道和輸出通道等構(gòu)成，其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

(1)最小工作系統(tǒng)：最小工作系統(tǒng)以Philips公司的LPC2000系列ARM 7微控制器LPC2119為核心，采用11.059 2 MHz晶振，并利用MAX708SD組成復(fù)位電路，它包含一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器、一個(gè)微處理器復(fù)位模塊、一個(gè)供電失敗比較器及一個(gè)手動(dòng)復(fù)位輸入模塊。系統(tǒng)電源采用78M05，LM1117-3.3，LM1117-1.8三種電路產(chǎn)生所需的工作電壓。

(2)輸出通道設(shè)計(jì)：本系統(tǒng)輸出通道輸出的信號(hào)為編碼信號(hào)，符合MC145026編碼規(guī)范，用于對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，為了隔離被控對(duì)象對(duì)系統(tǒng)的干擾，采用光耦4N33進(jìn)行隔離。輸出通道如圖3所示。

(3)輸入通道設(shè)計(jì)：輸入通道主要傳輸傳感器信號(hào)，采用TLP521-4光電器件進(jìn)行隔離，同時(shí)采用三極管限流防止外部接線短路。輸入通道如圖4所示。

3 控制器軟件設(shè)計(jì)

控制器采用μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)作為應(yīng)用軟件的平臺(tái)，可以避免傳統(tǒng)的前后臺(tái)程序設(shè)計(jì)時(shí)伴隨系統(tǒng)功能增加而造成程序編寫(xiě)量呈指數(shù)增加以及資源調(diào)度不當(dāng)發(fā)生的死鎖現(xiàn)象，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

3.1 μC/OS-Ⅱ的移植

μC/OS-Ⅱ是一個(gè)源碼開(kāi)放的嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核。其核心代碼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔精練，具有足夠的穩(wěn)定性和安全性。μC/OS-Ⅱ的移植對(duì)處理器有一定的要求，比如必須具有響應(yīng)中斷的能力，并同時(shí)具有開(kāi)關(guān)中斷的指令，處理器必須可支持一定數(shù)量的硬件堆棧，并且應(yīng)該有對(duì)堆棧指令進(jìn)行讀/寫(xiě)操作的指令等。同時(shí)在移植時(shí)編譯器應(yīng)該具有產(chǎn)生可重入代碼的能力。本設(shè)計(jì)所選用的處理器LPC2119以及開(kāi)發(fā)工具ADS1.2能滿足移植要求。μC/OS-Ⅱ的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括核心代碼部分、配置代碼部分、處理器相關(guān)代碼部分。其中處理器相關(guān)代碼部分是移植時(shí)需要修改的部分，它包括OS CPU.H，OS CPU C.C，OS CPU A.S三個(gè)文件，OC CPU.H包括數(shù)據(jù)類(lèi)型定義、堆棧單位定義、堆棧增長(zhǎng)方向定義、關(guān)中斷和開(kāi)中斷宏定義等。OSCPU C.C它包含6個(gè)函數(shù)，其中，OSInetEnter()是任務(wù)堆棧初始化函數(shù)是必須的，其他5個(gè)函數(shù)都是鉤子函數(shù)可以為空。OS_CPU_A.S這部分需要對(duì)處理器和寄存器進(jìn)行操作，用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，包括四個(gè)函數(shù)：

OSStartHighRdy()函數(shù)被OSStart()調(diào)用，使就緒的最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)運(yùn)行;OSCtwSw()在任務(wù)級(jí)切換函數(shù)中調(diào)用，保存任務(wù)環(huán)境變量、將當(dāng)前SP存入TCB中、載入就緒最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的SP、中斷返回等、OSIntCtxSw()在退出中斷服務(wù)函數(shù)OSIntExit()中調(diào)用，實(shí)現(xiàn)中斷級(jí)任務(wù)的切換。OSTickISR()是系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)函數(shù)，它為內(nèi)核提供時(shí)鐘節(jié)拍，頻率越高系統(tǒng)負(fù)荷越重;使用硬件定時(shí)器作為時(shí)鐘中斷源，定時(shí)中斷頻率一般為10～100 Hz。

3.2 用戶任務(wù)設(shè)計(jì)

在嵌入式系統(tǒng)中，合理的劃分任務(wù)及優(yōu)先級(jí)，不但能簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、任務(wù)調(diào)度的正確性，而且還能增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、健壯性以及實(shí)時(shí)性。

本系統(tǒng)軟件主要功能有：

(1)礦車(chē)運(yùn)行速度計(jì)算;

(2)礦車(chē)運(yùn)行方向的識(shí)別;

(3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制;

(4)擋車(chē)裝置到位檢測(cè);

(5)礦車(chē)下行和上行時(shí)擋車(chē)裝置關(guān)閉或打開(kāi)。

基于μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)，根據(jù)自動(dòng)信號(hào)系統(tǒng)的功能要求，劃分了，任務(wù)以及優(yōu)先級(jí)，任務(wù)優(yōu)先級(jí)取偶數(shù)，為以后系統(tǒng)升級(jí)留下空間。如表1所示

TaskStart()是μC/OS-Ⅱ初始化后運(yùn)行的第一個(gè)任務(wù)，由它來(lái)創(chuàng)建自動(dòng)信號(hào)系統(tǒng)的其他任務(wù)，該任務(wù)執(zhí)行一次后刪除，自身不再執(zhí)行。Task_Control()任務(wù)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。Task_Speed_Check()對(duì)礦車(chē)速度進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)圖1中A，B傳感器的工作狀況有兩種速度計(jì)算方法，當(dāng)A，B完好時(shí)，v=L/t，其中L為A，B二者之間的距離，當(dāng)A，B有1臺(tái)損壞時(shí)，v=l/t，其中L為礦車(chē)輪距;Task_Position_Check()完成擋車(chē)裝置到位檢測(cè)并即時(shí)發(fā)送信息給Task_Control()關(guān)斷電機(jī)電源;Task_Up-down_Check()檢測(cè)機(jī)車(chē)上行、下行位置，并即時(shí)發(fā)送信息給Task_Control()開(kāi)啟或關(guān)閉擋車(chē)裝置;Task_Clock()系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)Task_Up_down_Check()，Task_Position_Check()任務(wù)，各任務(wù)關(guān)系如圖5所示。

在起始任務(wù)中，建立郵箱、信號(hào)量以及各個(gè)任務(wù);郵箱及信號(hào)量如下：

軟件流程框圖如圖6所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)ARM系列微處理器LPC2119及實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ應(yīng)用于應(yīng)用于斜井防跑車(chē)控制器設(shè)計(jì)中，增加了系統(tǒng)的可靠性實(shí)時(shí)性以及靈活性;

(2)基于LPC2119和μC/OS-Ⅱ的斜井防跑車(chē)控制裝置控制器各項(xiàng)功能已初步得到驗(yàn)證。