LPC4320雙核處理器在支架電液控系統中的應用

李宗珠，趙廣會，張幸福

(1.內蒙古上海廟礦業有限責任公司，烏海 016200；2.鄭州煤機液壓電控有限公司)

LPC4320雙核處理器在支架電液控系統中的應用

李宗珠，趙廣會，張幸福

(1.內蒙古上海廟礦業有限責任公司，烏海 016200；2.鄭州煤機液壓電控有限公司)

隨著煤礦自動化、智慧礦山的快速發展，工作面支架電液控系統的功能也更加復雜。為了滿足支架電液控系統在實時姿態控制、數據傳輸以及與工作面采煤機、刮板機、視頻監控等系統聯動方面的要求，本文基于LPC4320異構雙核處理器開發一種新型支架控制器。既有強大的數據處理能力，滿足多通道傳感器實時信號采集與處理以及基于數字信號的支架控制功能的需求，又具有強大的控制能力，實現支架遠程控制、自動控制、多設備聯動控制等功能。

煤礦自動化；支架電液控系統；支架控制器；異構雙核處理器

引 言

起源于國外的液壓支架電液控系統在上世紀90年代引入國內，支架電液控系統以高產、高效、安全的特點在國內迅速得到了推廣與應用。本世紀初，鄭煤機、北京天瑪等國內廠家在支架電液控系統領域相繼取得關鍵突破，支架電液控系統在國內的發展進入了一個新階段。國產電液控系統在繼承進口電液控系統高產、高效、安全特點的同時，成本得到了大幅下降，進一步拉近了用戶與支架電液控系統的距離。目前，數字化礦山、智慧礦山等研究的進一步深入，對綜采工作面支架電液控系統的智能化和自動化程度均提出了更高的要求。支架電液控系統不僅要完成對支架的立柱下腔壓力、推移行程、紅外線接收器等常規傳感器的實時數據采集，還要具備對姿態傳感器、高度傳感器、接近傳感器等新型傳感器的實時數據采集與處理；不僅要完成支架、采煤機、刮板機的三機聯動自動割煤，還要具備與工作面視頻系統、支架遠程控制系統的聯動與控制能力。綜采工作面自動化需求的日益提高，要求支架電液控系統不僅要具有動作控制能力，還要具有大量數據的實時傳輸、各種傳感器的數據采集與信號處理能力，而目前的51單片機、ARM7等微控制器很難同時滿足高性能數字信號處理能力、大量數據傳輸與I/O控制的要求。NXP公司推出的LPC4320微控制器在單芯片內無縫集成了Cotex-M4與Cotex-M0兩個處理器，能夠很好地滿足支架電液控系統對高性能數字信號處理與大量數據傳輸與I/O控制的要求[1]。

1 LPC4320雙核處理器

LPC4320是NXP公司針對數字信號控制推出的一款異構雙核數字信號控制器(DSC)，其M4與M0內核運行速度均可達204 MHz，利用M4強大的數字信號能力與M0的控制能力，可以為DSP與MCU應用提供單一的架構與開發環境[1]。在LPC4320芯片中，M4作為主處理器融合了微控制器的基本功能，如集成向量控制器(NVIC)、低功耗模式、低成本調試和易用性,以及高性能數字信號處理功能，如單指令周期MAC、單指令多數據(SIMD)技術、飽和算法、浮點運算單元。M0作為協處理器用來分擔M4的大量數據傳輸與I/O控制任務，減小M4帶寬占用，使得M4可以全力處理數字信號控制應用中的數學計算[1]。

LPC4320異構雙核數字信號處理器的獨特之處在于其片內集成了M4與M0，并為兩者開辟了共享的存儲空間及中斷，可以實現無縫連接[2]。基于此架構，M4作為主處理器可以運行嵌入式操作系統，主要負責各種傳感器的信號采集、處理、基于數字信號控制的數學運算等任務，并負責對M0處理器的控制與初始化工作；M0作為協處理器，同樣可以運行嵌入式操作系統，在M4主處理器的控制下負責完成通信、I/O控制，數據搬運、存儲及人機交互控制等任務。以上M4與M0可以單獨運行嵌入式操作系統，真正實現多任務同時運行，提高系統運行的實時性及吞吐量。

LPC4320不僅具備雙核處理器的優勢，還具有CAN總線、UART等通信接口以及ADC、GPIO等豐富的外設。綜合考慮硬件性能與軟件開發的難度，筆者決定以LPC4320為核心開發新一代液壓支架控制器[2]。

2 系統方案設計

2.1 工作面系統方案設計

為了實現對每臺支架的控制，我們在每臺支架上安裝一個支架控制單元，每個支架控制單元由支架控制器、電磁閥驅動器、壓力傳感器、行程傳感器、紅外線接收器、接近傳感器、姿態傳感器等組成。支架控制單元間通過架間電纜相連接，輔以隔爆兼本安型穩壓電源、隔離耦合器等組成工作面的支架電液控系統網絡，系統方案如圖1所示。

圖1 工作面電液控系統方案

在工作面支架電液控系統網絡中，工作面總線用于支架控制單元與順槽集控中心的通信，架間總線用于相鄰的支架控制單元間的通信，兩條總線通過軟件實現相互冗余。在支架控制單元中支架控制器是核心，實現支架操作、命令、數據傳輸及傳感器數據采集以及人機交互等功能，因此，本設計重點是支架控制器的軟、硬件設計。

2.2 支架控制器方案設計

支架控制器方案設計如圖2所示。

圖2 支架控制器方案設計

在該設計中，LPC4320作為系統的數據處理與系統控制的主控單元，采用1路CAN總線作為工作面通信的接口，2路UART總線作為左/右鄰架的通信接口，從而實現工作面通信與左/右鄰架通信的冗余設計；采用其ADC采集外部模擬量傳感器的數據，并預留1路UART總線來接入數字量傳感器；采用ZLG7290作為按鍵管理芯片，與LPC4320和I2C進行接口；采用MAX7300作為I/O擴展芯片，通過I2C與LPC4320實現多達24功能的電磁閥驅動；同時還為系統擴展了程序存儲器、數據存儲器以及顯示屏等模塊，來實現電液控系統運行需要具備的人機交互、電磁閥控制、數據傳輸以及存儲等功能。

3 基于雙核通信的軟件架構設計

3.1 雙核通信的軟、硬件實現

為了實現M4與M0雙核間的通信，LPC4320基于兩者間的共享RAM與中斷，實現兩者間的中斷通知、數據傳遞。雙核間的通信原理如圖3所示。

圖3 雙核通信原理

M4與M0分別使用中斷來通知對方有新的事件到來，需要對方處理。M4使用命令緩存區向M0傳遞命令，M0使用消息緩存區向M4傳遞數據，從而實現兩者內核間的高效通信[3]。

基于中斷及共享RAM的雙核間通信有以下3種方式：中斷機制、消息隊列機制和郵箱機制。中斷機制是最簡單的雙核通信方式，用于一個內核向另一個內核發送一個無關聯數據的確認信號[3]。消息隊列機制使用共享RAM中的兩塊區域，用來存儲一個內核向另一個內核發送的消息。其中命令緩存區用于M4向M0發送命令，消息緩存區用于M0向M4回發消息[3]。消息郵箱機制在共享RAM中使用了占位符，從而實現發送方直接將消息放置到接收方的共享RAM中，這樣M4和M0都可以向對方發送消息[3]。

3.2 系統軟件架構設計

由于支架控制器需要實現傳感器數據采集與處理、左/右鄰架通信傳輸、工作面通信、I/O端口控制、數據存儲、人機交互等功能，這就需要根據M4和M0處理器的特點合理進行軟件功能的劃分，以實現支架控制器在進行數據傳輸、數據存儲、人機交互等工作的同時，進行多種模擬、數字傳感器數據的數據采集、分析、處理，從而實現基于多種傳感器的支架數字信號控制功能。M4主機和M0從機軟件系統流程分別如圖4和圖5所示。

圖4 M4主機軟件系統流程

圖5 M0主機軟件系統流程

系統軟件架構中，M4是主機，M0是從機。M4負責對M0進行復位、程序加載等控制，運行在M4上的軟件與運行在M0上的軟件采用RPC(遠程過程調用)機制進行調用。M4只是將需要處理的數據等發送給M0，由M0來完成耗時較長的數據發送、存儲等處理；M0同步接收外部的通信和人機交互等耗時較長的事件，并將事件信息發送給M4；而諸如傳感器信息的數據采集與處理、支架姿態運算控制等計算密集型任務在M4上運行。這樣不同類型的任務在M4與M0上合理地分配，保證系統運行的實時性與高效性[3-5]。

結 語

[1] 邵樂峰.Cortex-M4/M0雙核微控制器瞄更多新興應用[EB/OL] . (2010-11-29)[2014-04-15]. http://www.ed-china.com/ART_8800039157_400005_500005_OT_94806ca3.HTM.

[2] NXP.LPC43xx ARM Cortex-M4/M0多核微處器用戶手冊[EB/OL]. (2012-02-01)[ 2014-04-15].http://www.nxp.com/search?q=um10503&type=keyword&rows=10.

[3] NXP.Inter Processor Communication on LPC43xx[EB/OL]. (2012-02-01)[ 2014-04-15].http://www.nxp.com/search?q=an11177&type=keyword&rows=10.

[4] NXP公司.LPC43xx ARM Cortex-M4/M0 multi-core microcontroller[S/OL]. http://www.nxp.com/search?q=um10503&type=keyword&rows=10.

[5] 貞明電子公司.LPC4300雙核應用手冊[EB/OL]. (2013-01-27)[ 2014-04-15] . http://download.csdn.net/download/dengxiaofeng2009/5881093.

李宗珠(工程師)，主要研究方向為煤礦裝備自動化與安全；趙廣會、張幸福(工程師)，主要研究方向為綜采工作面自動化技術與裝備。

編者按： 物聯網是當今嵌入式系統最活躍的應用之一，許多傳統的單片機和嵌入式系統開發者正在設計物聯網系統，高校也開設了物聯網專業的課程。本刊已經刊登過一些從芯片和應用角度討論物聯網系統軟硬件設計方面的文章。這次我們從國外精選了6篇物聯網設計方面的文章：物聯網設備和局域網、嵌入式計算設備、互聯網與物聯網協議、云計算在物聯網中的應用、物聯網與嵌入式操作系統和基于嵌入式操作系統的物聯網安全。這些文章從嵌入式系統(軟件)視角看物聯網的設計和應用，文章的兩位作者——Micrium 公司的Christian Legare和Rownbot公司的kim Rowe都是嵌入式軟件專家。其中，Christian是《嵌入式協議棧Μc/TCP-IP》一書的作者。來自北京麥克泰軟件公司的3位譯者都具有豐富的嵌入式系統應用經驗。我們忠心希望這組譯文能給讀者帶來啟迪和幫助。

Application of Dual-core Processor of LPC4320 in Support Electro-hydraulic Control System

Li Zongzhu，Zhao Guanghui，Zhang Xingfu

(1.NeiMenggu ShangHaimiao Mine Co.，Ltd., Wuhai 016200,China;2.Zhengzhou CoalMine Machinery Group Co., Ltd.)

With the rapid development of coal mine automation and intelligent coal mine, working face support electro-hydraulic control system needs more functions. In order to meet the demands of support electro-hydraulic control system in real-time attitude control, real-time data transmission and system linkage of working face coal-winning machine,shearer scraper conveyor and video surveillance system,a new support controller is designed based on heterogeneous dual-core processor LPC4320.Its powerful data processing ability can satisfy the demands of real-time signal acquisition and processing of multi-channel sensors,and support control based on digital signals.At the same time,its powerful control ability can realize the functions such as support remote control, automatic control and the linkage control of multiple equipments.

coal mine automation; support electro-hydraulic control system; support controller; heterogeneous dual-core processor

TP23

A

2014-04-11)