基于XY·CN總線的嵌入式監控系統的設計

王 波， 張 巖， 譚 磊

(北京理工大學 自動化學院，北京 100081)

基于XY·CN總線的嵌入式監控系統的設計

王 波， 張 巖， 譚 磊

(北京理工大學 自動化學院，北京 100081)

針對某些監控系統實時性要求高、長距離通信、節點眾多、成本高等問題，利用XY·CN總線和虛擬儀器技術設計了一個嵌入式監控系統。該系統包含3個部分：PIC單片機分節點，ARM主節點和PC機。PIC單片機分節點將現場采集到的數據通過XY·CN現場總線發送給ARM主控節點，并接收總線的控制命令控制現場設備。ARM主節點通過XY·CN現場總線將各個分節點的數據收集并處理，然后通過以太網將數據發送至上位機。上位機采用在PC機上運行的虛擬儀器，用于存儲、顯示各個節點的數據。所設計的系統采用雙絞線通信，并采用總線供電，具有實時性好，低成本，擴展靈活等特點。

監控系統； XY·CN總線； 虛擬儀器； 嵌入式

0 引 言

監控系統主要是通過對現場運行設備的監視和控制，以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及各類信號分析、報警等功能[1-2]。現階段，以太網與現場總線相融合是監控系統的主要形式，但是由于現場總線和以太網等的缺陷，在不同的應用場合，監控系統設計方案有很大不同[3-6]。本文針對某些監控系統實時性要求高、長距離通信、節點眾多、成本高等問題設計了一個基于XY·CN總線的嵌入式監控系統。

1 XY·CN總線簡介

XY·CN總線是一種帶供電功能的設備端串行雙總線通信系統，它具有通信總線供電、設備容量大、通信速率高、布線方便(RV1.5 mm雙絞線)、抗干擾能力強等特點。單臺設備可提供高達500 mA的電流。通過優化的中斷方式，可保證400個設備組網情況下，任何設備事件上報時間小于50 ms，多點設備同時上報逐一提取，不會產生網絡沖突[7-8]。

2 系統總體設計方案

利用XY·CN現場總線和虛擬儀器技術設計了一個嵌入式監控系統。該系統包含三個部分：PIC單片機分節點，ARM主節點和PC機。PIC單片機分節點將現場采集到的數據通過現場總線發送給ARM主控節點，并接收總線的控制命令控制現場設備。主控節點采用ARM處理器運行嵌入式實時操作系統，與各個分節點使用XY·CN總線通信，采集數據，發送聯動控制命令，并將現場總線協議與以太網協議轉化實現與上位機通信。上位機采用在PC機運行的虛擬儀器，用于存儲、顯示各個節點的數據以及發送查詢命令、控制命令和聯動命令。總體結構圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

3 系統硬件設計

系統硬件設計包括智能分節點硬件設計與ARM主節點硬件設計兩部分。

3.1 智能分節點硬件設計

XY·CN總線為主從式的通信方式，分節點為從機，采用專用通信芯片XY001[9]。單片機選用PIC16F690，該芯片I/O的驅動能力強，工作狀態功耗低，抗干擾能力強。圖2為單片機與XY001組成的模塊實物圖。系統由總線供電，XY001將總線輸入的電源轉化為5 V輸出，再經過二極管和RC濾波電路給單片機供電。

圖2 單片機與XY001模塊電路板實物圖

3.2 ARM主節點硬件設計

主節點通過XY·CN現場總線將各個分節點的數據收集并處理，然后通過以太網將數據發送至上位機。LPC2368是一款基于ARM7TDMI-S結構的微控制器，適用于需要進行串行通信的應用[10-11]。它可在高達72 MHz的工作頻率下運行；內部有512 KB的片內Flash程序存儲器，具有在系統編程(ISP)和在應用編程(IAP)功能。有一個32 KB大小的靜態RAM存儲器，可用于代碼和/或數據存儲。XY100芯片是XY·CN總線主機專用集成電路，完成數字通信的調制解調功能[9]。主節點電路板實物圖如圖3所示。

圖3 主節點電路板實物圖

4 系統軟件設計

系統軟件設計包括智能分節點軟件設計、主節點軟件設計和上位機軟件設計三部分。

4.1 智能分節點軟件設計

智能分節點是一個前后臺的系統。后臺運行一個主循環，前臺有中斷進入的時候，執行中斷，然后再繼續執行后臺循環。

4.2 主節點軟件設計

主控節點負責收集現場數據，現場總線到以太網的轉換，聯動控制等諸多功能。為了程序穩定，實時性好，移植嵌入式實時操作系統。本系統在LPC2368上移植μC/OS-II實時操作系統[12-13]，程序在ADS1.2的平臺上進行系統的移植和任務的編寫。

在主節點程序中建立4個任務：

(1) 初始任務。初始化，建立其他3個任務。

(2) 任務2。XY·CN總線通信，不斷地發送中斷上報命令，遇有中斷上傳節點，則將串口配置成普通IO口，按照XY·CN通信協議與從機進行通信；當接收到上報數據的ID號后，發送查詢數據幀獲取該ID號分節點的數據，并將數據存儲。

(3) 任務3。聯動任務，當XY·CN總線上報數據后，聯動任務會檢測有無聯動對應的設置，若有，則根據設置做相應的設置；

(4) 任務4。TCP通信任務，將分節點中斷上報的數據發送到PC機上；根據PC機的命令，實現其它與PC機的通信。

4.3 上位機軟件設計

上位機軟件采用圖形化編程語言LabVIEW[14]在PC機上編寫，通過以太網與ARM主節點通信，主要功能是完成遠程節點數據的顯示、存儲、查詢和異常報警，聯動命令的設置、記錄，以及其它人機交互功能。軟件設計采用了模塊化設計思想，上位機系統框圖如圖4所示。程序由圖上的一些基本功能模塊按照一定的層次組成，各功能模塊都以主程序界面為初始啟動界面，并通過菜單調用。

圖4 LabVIEW網絡數據采集系統框圖

主程序界面如圖5所示，該界面有四個表格：動態數據顯示表格，報警數據顯示表格，聯動命令記錄表格和用戶信息與運行狀態表格。從主程序界面可以看出，共有5個菜單，“文件”“配置”“聯網”“管理用戶”“幫助”，每個菜單又有1～2級的子菜單，用LabVIEW的菜單編輯器可以方便地實現[15]。

圖5 監控程序主界面

5 結 語

隨著網絡技術、計算機技術的發展及其在各行各業的應用，使得數據采集和監控技術在內容和形式上都發生了巨大的變化。本文針對某些監控系統的實時性要求高、長距離通信、節點眾多、布線復雜、供電麻煩、成本高等問題設計了一個基于XY·CN總線的嵌入式監控系統。該系統采用雙絞線通信，并采用總線供電，適合用在實時性高、數據量小、要求總線供電的場合，如：小區安防系統、集中抄表、醫院呼叫系統和小型生產線監控等領域。

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Design of Embedded Supervising and Control System Based on XY·CN Bus

WANG Bo, ZHANG Yan, TAN Lei

(School of Automation, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

A new embedded supervising and control system based on XY·CN bus is designed to meet the actual demand in high real-time requirement, long distance communication, numerous network nodes and cost saving. The system consists of three parts: PIC MCU sub nodes, ARM master node and PC. PIC MCU sub nodes send the field data to ARM master node and receive the command to control field devices. ARM master node collects the sub node data by XY·CN bus and processes it. Then the processed data are transferred to monitor computer by Ethernet. The monitoring computer is a computer running virtual instrument. It is used to store and display the data of each node. The system uses twisted pair communication and bus power supply. The designed system has the characteristics of good real-time, low cost, flexible expansion and so on.

supervising and control system; XY·CN bus; virtual instrument; embedded systems

2016-11-25

北京理工大學第十批教育教學改革項目(2013-074)

王 波(1976-)，男，山東諸城人，博士，實驗師，研究方向為檢測技術與自動化裝置。

Tel.:13671390063；E-mail:wangbo231@bit.edu.cn

TP 277

A

1006-7167(2017)08-0158-03