等基于μC/OS-II操作系統(tǒng)KDG15A型遠程控制開關(guān)的研究

天地（常州）自動化股份有限公司 夏 云

1.前言

隨著煤礦綜合自動化程度的提高，井下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越廣泛，通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不僅能在井下現(xiàn)場操作各種設(shè)備，同時能在地面實現(xiàn)遠程控制，而且能在地面實時監(jiān)測各種設(shè)備的運行參數(shù)等，真正實現(xiàn)遠程綜合自動化系統(tǒng)。

目前國內(nèi)現(xiàn)場的遠程控制開關(guān)種類比較繁雜，造成系統(tǒng)接人控制總線種類大，給現(xiàn)場應(yīng)用造成困難，我單位目前研制的KDG15A型遠程控制開關(guān)是KJ95N型煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)的配套產(chǎn)品，通過現(xiàn)場總線RS485，用于遠距離控制設(shè)備的開關(guān)，同時帶有饋電狀態(tài)檢測功能，可反映被控設(shè)備的狀態(tài)。

2.需求及技術(shù)分析

隨著井下自動化程度的提高，井下各種設(shè)備的控制及監(jiān)控系統(tǒng)，可以挪移到地面控制中心，實現(xiàn)集中控制，減少了人工系統(tǒng)，例如井下中央水泵房排水系統(tǒng)，當水倉達到井下警戒水位后，必須及時開啟井下水泵向地面排水，這時就要逐一開啟相應(yīng)的設(shè)備，例如首先把相應(yīng)管路的閥門開啟到位，并需監(jiān)測閥門是否開啟到位；然后開啟真空泵向主排水泵抽真空，確保真空后，再開啟主排水泵，這樣的一系列操作必須在現(xiàn)場安裝遠程控制開關(guān)。

又例如井下的皮帶機控制系統(tǒng)，由于井下皮帶系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠距離運輸，皮帶機路線長，但皮帶機系統(tǒng)根據(jù)煤礦安全規(guī)程要求必須安設(shè)溫度保護、速度保護、煙霧保護、跑偏保護、滿煤保護、沿線緊急停車、縱撕保護等8大保護系統(tǒng)，這幾大保護如何在遠距離實現(xiàn)，必須在現(xiàn)場安裝遠程控制開關(guān)。

因此遠程控制開關(guān)的應(yīng)用在煤礦現(xiàn)場中非常廣泛，我單位根據(jù)目前煤礦的具體現(xiàn)狀，結(jié)合煤礦必須具備的六大系統(tǒng)中的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，綜合分析后決定研發(fā)KDG15A型遠程控制開關(guān)，并選擇RS485現(xiàn)場總線，方便接入目前常用的KJ95N型煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)，給用戶提供了方便可靠的遠程控制開關(guān)。

3.KDG15A型遠程控制開關(guān)硬件設(shè)計

3.1 CPU控制器的選型

KDG15A型遠程控制開關(guān)選用PHILIPS公司最新的LPC2119控制器作為系統(tǒng)CPU，該控制器是基于支持實時仿真和一個跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STM CPU，同時帶有128/256 kB（字節(jié)）嵌入的高速Flash存儲器。寬度128位的存儲器接口和很獨特的加速結(jié)構(gòu)能夠使32位代碼在最大時鐘速率下運行。對系統(tǒng)代碼規(guī)模有非常嚴格控制的應(yīng)用，可選擇16位Thumb模式將代碼的規(guī)模降低超過30%，而系統(tǒng)性能的損失卻很小。

LPC2119控制器為非常小的64腳封裝、非常低的功耗、幾個32位定時器、4通道10位ADC、2路CAN、PWM通道、46個GPIO以及多達9個外部中斷。并且內(nèi)置了寬范圍的RS485串行通信接口。

具體的系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 KDG15A型遠程控制開關(guān)結(jié)構(gòu)框圖

3.2 系統(tǒng)電源的設(shè)計

KDG15A型遠程控制開關(guān)考慮到要搭接KJ95N型煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)，由于KJ95N型煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)中具有9-18直流電源電壓，只需在內(nèi)部簡單增加電源濾波以及相應(yīng)5V、3.3V LM1117-3.3和1.8VLM1117-1.8型電源轉(zhuǎn)換就可以了，在此不在啰嗦。

3.3 抗干擾電路的設(shè)計

由于井下各種信號的電磁干擾比較強。為了防止共摸干擾和差模干擾引入到KDG15型開關(guān)內(nèi)部，對芯片以及其他相應(yīng)硬件造成損壞，因此在各種繼電器開關(guān)量和系統(tǒng)采集電路之間相應(yīng)加了光電隔離器，增加系統(tǒng)抗干擾的能力。開關(guān)量的光電隔離抗干擾電路圖如圖2所示：

圖2 光電隔離抗干擾電路圖

3.4 RS485電路的設(shè)計

作為目前常用的通訊接口，選用ADM487作為RS-485通信元件，同時考慮到系統(tǒng)的抗干擾性在485電路中增加3個快速光耦，這樣配置不僅設(shè)計簡單而且價格實惠。具體不在啰嗦，詳見圖3。

圖3 RS485電路設(shè)計

4.KDG15A型遠程控制開關(guān)軟件設(shè)計

KDG15A型遠程控制開關(guān)軟件通過采用移植μC/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS)作為該開關(guān)的操作系統(tǒng)。μC/OS-II操作系統(tǒng)是一種公開源代碼、結(jié)構(gòu)小巧、具有可剝奪實時內(nèi)核的實時操作系統(tǒng)，不僅具有編程簡單、簡潔，同時具有可裁減性好、可靠性高、實時性強等特點。

μC/OS-II操作系統(tǒng)是一個實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，它不僅僅包含了任務(wù)調(diào)度，任務(wù)管理，時間管理，內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信和同步等基本功能，而且包含了信號量管理、事件管理、郵箱消息管理、消息隊列管理、內(nèi)存管理、事件標志組管理等幾個部分，以上功能完全可以通過用戶自己根據(jù)需要進行簡單的設(shè)置即可實現(xiàn)。由于μC/OS-II具有良好的可擴展性和源碼開放，其他的輸入輸出管理，文件系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)等額外的任務(wù)，用戶可以根據(jù)需要簡單編程即可實現(xiàn)。

通過移植嵌入式μC/OS-II實時操作系統(tǒng)，應(yīng)用程序變得相對簡單，主程序Main()函數(shù)如下：

Void main(void)

{

OSInit();//系統(tǒng)初始化

InitTimer0();//Timer0初始化，Timer0作為系統(tǒng)時鐘節(jié)拍源

OSTaskCreate(Task1,(void*)0,(void*)&TaskStk[1][0],6);/*建立任務(wù)1*/

OSTaskCreate(Task2,(void*)0,(void*)&TaskStk[2][0],6);/*建立任務(wù)2*/

OSStart();/*開始多任務(wù)調(diào)度*/

}

通過主程式，設(shè)置系統(tǒng)內(nèi)部初始化，并設(shè)置好系統(tǒng)的時鐘節(jié)拍源，只需建立兩個任務(wù)即可實現(xiàn)Task1作為485通信任務(wù)，Task2作為系統(tǒng)輸入、輸出的監(jiān)測控制任務(wù)。

Task1任務(wù)485通信程序采用中斷方式啟動，在系統(tǒng)設(shè)置內(nèi)部設(shè)置好時間間隔，到時間即開啟Task1，具體流程圖見圖4。

圖4 Task1通信任務(wù)流程圖

數(shù)據(jù)處理及控制Task2程序如圖5所示：

圖5 數(shù)據(jù)處理及控制Task2程序

數(shù)據(jù)處理及控制程序，任務(wù)啟動后，首先判斷是否有上位機發(fā)送的控制命令，如果有控制命令，根據(jù)上位機控制命令分別對端口進行控制，如無控制命令對所有端口進行監(jiān)測，監(jiān)測完成后將監(jiān)測結(jié)果存儲到相應(yīng)位置。

5.結(jié)論

本文根據(jù)井下現(xiàn)場綜合自動化的需求簡單介紹了KDG15A型遠程控制開關(guān)設(shè)計，該控制開關(guān)系統(tǒng)設(shè)計簡潔，方便搭接KJ95N型煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)，為井下煤礦綜合自動化提供了很好的搭建平臺。該KDG15A型遠程控制開關(guān)已在我公司投入生產(chǎn)并依法取得防爆合格證和MA煤礦安全許可證，已投入到各個礦物局使用，并取得了很好的口碑。

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