0 引言

隨著計算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，智能化、自動化、精確化的灌溉和施肥技術(shù)正逐漸取代傳統(tǒng)的灌溉方式。在施肥過程中，需要在線檢測肥料溶液的酸堿度和電導(dǎo)率以及灌溉壓力、管道流量等，然后根據(jù)這些參數(shù)來控制電磁閥和水泵的運(yùn)行達(dá)到自動灌溉施肥的目的。目前，常用的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)都是為某一實(shí)際應(yīng)用而設(shè)計的，通用性和可擴(kuò)展性差、數(shù)據(jù)存儲能力不足，價格昂貴。因此基于周立功公司的ARM7核心板設(shè)計了一種通用的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，并且已經(jīng)應(yīng)用到自動灌溉施肥系統(tǒng)中，能夠滿足穩(wěn)定性，實(shí)時性以及大容量的數(shù)據(jù)存儲的要求。該數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，可以很方便的擴(kuò)展和剪裁模塊，同時只要對軟件進(jìn)行少量修改就可以方便的移植到其它應(yīng)用系統(tǒng)中。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用LPC2220工業(yè)級ARM7微控制器，內(nèi)嵌μC／0S—II實(shí)時操作系統(tǒng)，支持10M以太網(wǎng)(工業(yè)級)、CF卡接口、USB主機(jī)控制器、板載電子硬盤FOB(Flash On Board)、A／D轉(zhuǎn)換、低功耗RTC 等功能。核心模塊與各采集控制模塊之間采用具有光電隔離的RS485通訊接口?；赗S485總線的數(shù)據(jù)采集控制模塊，可實(shí)現(xiàn)對電壓、電流、脈沖／頻率、狀態(tài)量等各種類型信號的采集和開關(guān)量控制，以滿足設(shè)施環(huán)境內(nèi)各種傳感器數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的智能化控制。通過系統(tǒng)硬件擴(kuò)展和軟件開發(fā)，可完整地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲、報警、設(shè)備控制、智能管理、報表統(tǒng)計等通用功能，滿足各種設(shè)施環(huán)境的智能控制與管理。



2 硬件設(shè)計

2．1 MiniARM工控模塊

MiniARM工控模塊主要由LPC2220(ARM7TDMI)微控制器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、工業(yè)級以太網(wǎng)控制器CS8900A、USB Host控制器和NAND F1ash存儲器組成。MiniARM工控模塊接口圖如圖2所示。



同時工控模塊有256M的板載電子盤，一個標(biāo)準(zhǔn)的外置RTC實(shí)時時鐘(PCF8563)，2個UART控制器，一路高速I2C總線以及一路高速SPI總線等硬件資源。同時工控模塊內(nèi)嵌μC／OS—II實(shí)時操作系統(tǒng)，TCP／IP協(xié)議以及FAT32文件管理系統(tǒng)等。工控模塊上的這些軟硬件資源，可以很方便的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問，以及大容量的數(shù)據(jù)存儲，滿足我們的需要。

2．2．1 數(shù)據(jù)采集／控制模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)采集／控制模塊的設(shè)計如圖3所示，具有4個輸入或輸出通道，通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制，與核心模塊之間通過RS485總線實(shí)現(xiàn)通訊，采用光電隔離技術(shù)和內(nèi)嵌工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議，有效增強(qiáng)通訊穩(wěn)定性，通訊距離可延伸至1200米，總線驅(qū)動能力可達(dá)128個模塊。

采集控制系統(tǒng)中共設(shè)計了三種模塊，模擬量采集模塊、狀態(tài)量／頻率采集模塊以及繼電器輸出控制模塊。每個模塊均以C8051F330單片機(jī)為核心。該單片機(jī)具有內(nèi)部A／D和一個串口以及定時器，管腳較少，價格低廉很適合做采集模塊的控制器。在模塊中，C805lF330單片機(jī)的串口通過跳線實(shí)現(xiàn)復(fù)用，通過 NAX3221電平轉(zhuǎn)換芯片可以實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信，或者通過MAX485E轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)RS一485總線通訊。



3 軟件設(shè)計

3．1 核心模塊軟件設(shè)計

μC／OS—II是個實(shí)時操作系統(tǒng)。它是一個完整、可移植、可固化及可剪裁的搶占式多任務(wù)內(nèi)櫳適合小型控制系統(tǒng)具有執(zhí)行效率高、占用空間小等特點(diǎn)。 μC／OS-II系統(tǒng)內(nèi)核的核心是任務(wù)調(diào)度機(jī)制。μC／OS-II下每個任務(wù)可以有休眠、就緒、運(yùn)行以及中斷等狀態(tài)。μC／OS-II提供的任務(wù)間的通信力式有很多，如信號量、消息郵箱、消息隊列和事件標(biāo)志組等。

核心模塊內(nèi)嵌μC／OS—II實(shí)時操作系統(tǒng)，根據(jù)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)所需要完成的功能和需求，將系統(tǒng)劃分為5個任務(wù)：數(shù)據(jù)采集控制任務(wù)，數(shù)據(jù)存儲任務(wù)，遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問任務(wù)，用戶界面任務(wù)以及用戶應(yīng)用程序任務(wù)。為了保證系統(tǒng)的實(shí)時性，必須合理的設(shè)定任務(wù)的優(yōu)先級。為了簡化設(shè)計，對于運(yùn)行任務(wù)較少的數(shù)控系統(tǒng)可以采用靜態(tài)任務(wù)優(yōu)先級分配。根據(jù)任務(wù)對響應(yīng)時間的敏感程度及重要性，任務(wù)的優(yōu)先級次序如下：

用戶應(yīng)用程序>數(shù)據(jù)采集控制任務(wù)>用戶界面任務(wù)>數(shù)據(jù)存儲任務(wù)>遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問任務(wù)，每個任務(wù)實(shí)現(xiàn)一種相對獨(dú)立的功能，系統(tǒng)任務(wù)流程圖如圖4所示。



數(shù)據(jù)采集控制任務(wù)主要完成數(shù)據(jù)的采集和對開關(guān)量的控制。核心模塊作為主機(jī)，采集控制模塊作為從機(jī)。主機(jī)通過論詢的方式，每隔1秒向從機(jī)依次發(fā)送 Modbus讀寄存器命令幀。從機(jī)收到命令后，向主機(jī)返回采集到的數(shù)據(jù)。當(dāng)程序控制邏輯或用戶通過觸摸屏需要開關(guān)量動作時，主機(jī)向從機(jī)發(fā)送寫寄存器命令幀，相應(yīng)的從機(jī)響應(yīng)并打開或關(guān)閉電磁閥。

數(shù)據(jù)存儲任務(wù)主要完成對采集到的數(shù)據(jù)的存儲。當(dāng)數(shù)據(jù)采集控制任務(wù)完成一次數(shù)據(jù)采集任務(wù)之后，數(shù)據(jù)存儲任務(wù)會在電子盤上建立txt文件，并將數(shù)據(jù)存儲到文件中。當(dāng)數(shù)據(jù)存儲任務(wù)檢測到有U盤插入時，會將電子盤上的txt文件轉(zhuǎn)存到U盤，并刪除電子盤上的原文件。

遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問任務(wù)主要實(shí)現(xiàn)用戶通過網(wǎng)頁瀏覽器實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的查看和對開關(guān)的控制。遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問任務(wù)一直監(jiān)控有沒有HTTP請求，當(dāng)有HTTP請求時任務(wù)會將數(shù)據(jù)以HTTP協(xié)議發(fā)送給瀏覽器客戶端。用戶對控制模塊的遠(yuǎn)程控制是通過提交表單的形式來實(shí)現(xiàn)的。

用戶界面任務(wù)主要完成用戶與系統(tǒng)的交互。通過大屏幕彩色液晶實(shí)時顯示采集到的數(shù)據(jù)，并且可以顯示數(shù)據(jù)的實(shí)時曲線。用戶以通過觸摸屏可以對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置和控制。

用戶應(yīng)用程序任務(wù)主要是根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的要求，提取和處理有用的數(shù)據(jù)完成一些邏輯控制功能。

3．2 數(shù)據(jù)采集／控制模塊軟件設(shè)計

RS一485標(biāo)準(zhǔn)只是一個物理的通信接口標(biāo)準(zhǔn)，要實(shí)現(xiàn)總線監(jiān)控還要在此基礎(chǔ)上建立自己的高層通信協(xié)議。Modbus協(xié)議是美國可編程控制器供應(yīng)商 Modicon公司制定的一種工業(yè)通訊協(xié)議，現(xiàn)在已經(jīng)被許多工控廠商所支持，廣泛的應(yīng)用到只能儀表，總線監(jiān)控等領(lǐng)域。

Modbus協(xié)議采用主從結(jié)構(gòu)的通信方式，適用于半雙工的RS一485總線。協(xié)議規(guī)定總線上有一個主機(jī)，多個從機(jī)，每個主機(jī)分配唯一的地址。工作時可采用命令／應(yīng)答的通訊方式，主機(jī)向要從機(jī)發(fā)出命令幀，地址匹配的從機(jī)進(jìn)行響應(yīng)，并向主機(jī)發(fā)出與命令幀對應(yīng)的應(yīng)答幀。Modbus有兩種通信模式：ASCII模式和RTU模式。在相同的情況下，RTU模式比ASCII模式能夠傳送更多的數(shù)據(jù)，因此在本系統(tǒng)中采用RTU模式。RTU消息幀典型格式如表1所示。



在本采集控制系統(tǒng)中，核心模塊作為主機(jī)，各個采集和控制模塊作為從機(jī)響應(yīng)主機(jī)發(fā)出的命令幀。當(dāng)主機(jī)發(fā)送Ox03功能碼時，從機(jī)會把模擬量的值或者狀態(tài)量／頻率量的值返回給主機(jī)。當(dāng)主機(jī)發(fā)送0x16功能碼時，會使控制模塊開關(guān)量通斷，并且控制模塊會返回當(dāng)前的狀態(tài)。每個數(shù)據(jù)采集／控制模塊有4路輸入或輸出通道。因此在每個采集／控制模塊內(nèi)部定義了4個寄存器，每個寄存器占兩個字節(jié)。采集／控制模塊按字節(jié)接收數(shù)據(jù)，每接收一個字節(jié)就進(jìn)入一次串口中斷。進(jìn)入串口中斷之后，對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。解析數(shù)據(jù)的流程圖如圖5所示。首先判斷地址是否與本機(jī)地址匹配，地址不匹配則放棄本次接受。地址匹配之后再保存功能碼。當(dāng)數(shù)據(jù)幀接收完之后，對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗，并于接收到的CRC校驗碼進(jìn)行比較。若CRC校驗錯誤，則放棄本次數(shù)據(jù)。若CRC校驗正確，主程序則根據(jù)保存的功能碼，寄存器起始地址以及寄存器個數(shù)來響應(yīng)主機(jī)。當(dāng)功能碼為Ox03時，采集模塊根據(jù)接收到寄存器起始地址及寄存器個數(shù)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。當(dāng)功能碼為Oxl6時，控制模塊根據(jù)接收到的寄存器值打開或關(guān)閉繼電器，并且將繼電器狀態(tài)返回給主機(jī)。



4 結(jié)束語

該數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)可以對模擬信號、狀態(tài)量以及脈沖量進(jìn)行采集和處理，并且能夠根據(jù)采集的數(shù)據(jù)來控制繼電器的開關(guān)。主機(jī)和模塊之間通過RS一485總線以標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。因此可以很容易的實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展和與其它廠商的檢測儀表進(jìn)行集成。該系統(tǒng)采用了實(shí)時操作系統(tǒng)，使系統(tǒng)優(yōu)先級明確，提高了實(shí)時性，同時實(shí)現(xiàn)了大容量的數(shù)據(jù)存儲和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問。因此本系統(tǒng)有很好的實(shí)用性，已經(jīng)被我們應(yīng)用到灌溉施肥控制系統(tǒng)中。

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