基于XY·CN總線的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王 波， 張 巖， 譚 磊

(北京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100081)

基于XY·CN總線的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王 波， 張 巖， 譚 磊

(北京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100081)

針對某些監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求高、長距離通信、節(jié)點(diǎn)眾多、成本高等問題，利用XY·CN總線和虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含3個(gè)部分：PIC單片機(jī)分節(jié)點(diǎn)，ARM主節(jié)點(diǎn)和PC機(jī)。PIC單片機(jī)分節(jié)點(diǎn)將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)通過XY·CN現(xiàn)場總線發(fā)送給ARM主控節(jié)點(diǎn)，并接收總線的控制命令控制現(xiàn)場設(shè)備。ARM主節(jié)點(diǎn)通過XY·CN現(xiàn)場總線將各個(gè)分節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收集并處理，然后通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。上位機(jī)采用在PC機(jī)上運(yùn)行的虛擬儀器，用于存儲(chǔ)、顯示各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用雙絞線通信，并采用總線供電，具有實(shí)時(shí)性好，低成本，擴(kuò)展靈活等特點(diǎn)。

監(jiān)控系統(tǒng)； XY·CN總線； 虛擬儀器； 嵌入式

0 引 言

監(jiān)控系統(tǒng)主要是通過對現(xiàn)場運(yùn)行設(shè)備的監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號分析、報(bào)警等功能[1-2]?，F(xiàn)階段，以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線相融合是監(jiān)控系統(tǒng)的主要形式，但是由于現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)等的缺陷，在不同的應(yīng)用場合，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案有很大不同[3-6]。本文針對某些監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求高、長距離通信、節(jié)點(diǎn)眾多、成本高等問題設(shè)計(jì)了一個(gè)基于XY·CN總線的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)。

1 XY·CN總線簡介

XY·CN總線是一種帶供電功能的設(shè)備端串行雙總線通信系統(tǒng)，它具有通信總線供電、設(shè)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(qiáng)等特點(diǎn)。單臺(tái)設(shè)備可提供高達(dá)500 mA的電流。通過優(yōu)化的中斷方式，可保證400個(gè)設(shè)備組網(wǎng)情況下，任何設(shè)備事件上報(bào)時(shí)間小于50 ms，多點(diǎn)設(shè)備同時(shí)上報(bào)逐一提取，不會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)沖突[7-8]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

利用XY·CN現(xiàn)場總線和虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含三個(gè)部分：PIC單片機(jī)分節(jié)點(diǎn)，ARM主節(jié)點(diǎn)和PC機(jī)。PIC單片機(jī)分節(jié)點(diǎn)將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線發(fā)送給ARM主控節(jié)點(diǎn)，并接收總線的控制命令控制現(xiàn)場設(shè)備。主控節(jié)點(diǎn)采用ARM處理器運(yùn)行嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，與各個(gè)分節(jié)點(diǎn)使用XY·CN總線通信，采集數(shù)據(jù)，發(fā)送聯(lián)動(dòng)控制命令，并將現(xiàn)場總線協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信。上位機(jī)采用在PC機(jī)運(yùn)行的虛擬儀器，用于存儲(chǔ)、顯示各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)以及發(fā)送查詢命令、控制命令和聯(lián)動(dòng)命令。總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括智能分節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)與ARM主節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)兩部分。

3.1 智能分節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

XY·CN總線為主從式的通信方式，分節(jié)點(diǎn)為從機(jī)，采用專用通信芯片XY001[9]。單片機(jī)選用PIC16F690，該芯片I/O的驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，工作狀態(tài)功耗低，抗干擾能力強(qiáng)。圖2為單片機(jī)與XY001組成的模塊實(shí)物圖。系統(tǒng)由總線供電，XY001將總線輸入的電源轉(zhuǎn)化為5 V輸出，再經(jīng)過二極管和RC濾波電路給單片機(jī)供電。

圖2 單片機(jī)與XY001模塊電路板實(shí)物圖

3.2 ARM主節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

主節(jié)點(diǎn)通過XY·CN現(xiàn)場總線將各個(gè)分節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收集并處理，然后通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。LPC2368是一款基于ARM7TDMI-S結(jié)構(gòu)的微控制器，適用于需要進(jìn)行串行通信的應(yīng)用[10-11]。它可在高達(dá)72 MHz的工作頻率下運(yùn)行；內(nèi)部有512 KB的片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器，具有在系統(tǒng)編程(ISP)和在應(yīng)用編程(IAP)功能。有一個(gè)32 KB大小的靜態(tài)RAM存儲(chǔ)器，可用于代碼和/或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。XY100芯片是XY·CN總線主機(jī)專用集成電路，完成數(shù)字通信的調(diào)制解調(diào)功能[9]。主節(jié)點(diǎn)電路板實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 主節(jié)點(diǎn)電路板實(shí)物圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括智能分節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)、主節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)三部分。

4.1 智能分節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

智能分節(jié)點(diǎn)是一個(gè)前后臺(tái)的系統(tǒng)。后臺(tái)運(yùn)行一個(gè)主循環(huán)，前臺(tái)有中斷進(jìn)入的時(shí)候，執(zhí)行中斷，然后再繼續(xù)執(zhí)行后臺(tái)循環(huán)。

4.2 主節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

主控節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，現(xiàn)場總線到以太網(wǎng)的轉(zhuǎn)換，聯(lián)動(dòng)控制等諸多功能。為了程序穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性好，移植嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)在LPC2368上移植μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[12-13]，程序在ADS1.2的平臺(tái)上進(jìn)行系統(tǒng)的移植和任務(wù)的編寫。

在主節(jié)點(diǎn)程序中建立4個(gè)任務(wù)：

(1) 初始任務(wù)。初始化，建立其他3個(gè)任務(wù)。

(2) 任務(wù)2。XY·CN總線通信，不斷地發(fā)送中斷上報(bào)命令，遇有中斷上傳節(jié)點(diǎn)，則將串口配置成普通IO口，按照XY·CN通信協(xié)議與從機(jī)進(jìn)行通信；當(dāng)接收到上報(bào)數(shù)據(jù)的ID號后，發(fā)送查詢數(shù)據(jù)幀獲取該ID號分節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

(3) 任務(wù)3。聯(lián)動(dòng)任務(wù)，當(dāng)XY·CN總線上報(bào)數(shù)據(jù)后，聯(lián)動(dòng)任務(wù)會(huì)檢測有無聯(lián)動(dòng)對應(yīng)的設(shè)置，若有，則根據(jù)設(shè)置做相應(yīng)的設(shè)置；

(4) 任務(wù)4。TCP通信任務(wù)，將分節(jié)點(diǎn)中斷上報(bào)的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)上；根據(jù)PC機(jī)的命令，實(shí)現(xiàn)其它與PC機(jī)的通信。

4.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用圖形化編程語言LabVIEW[14]在PC機(jī)上編寫，通過以太網(wǎng)與ARM主節(jié)點(diǎn)通信，主要功能是完成遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)、查詢和異常報(bào)警，聯(lián)動(dòng)命令的設(shè)置、記錄，以及其它人機(jī)交互功能。軟件設(shè)計(jì)采用了模塊化設(shè)計(jì)思想，上位機(jī)系統(tǒng)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(dòng)界面，并通過菜單調(diào)用。

圖4 LabVIEW網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

主程序界面如圖5所示，該界面有四個(gè)表格：動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示表格，報(bào)警數(shù)據(jù)顯示表格，聯(lián)動(dòng)命令記錄表格和用戶信息與運(yùn)行狀態(tài)表格。從主程序界面可以看出，共有5個(gè)菜單，“文件”“配置”“聯(lián)網(wǎng)”“管理用戶”“幫助”，每個(gè)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(shí)現(xiàn)[15]。

圖5 監(jiān)控程序主界面

5 結(jié) 語

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及其在各行各業(yè)的應(yīng)用，使得數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控技術(shù)在內(nèi)容和形式上都發(fā)生了巨大的變化。本文針對某些監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求高、長距離通信、節(jié)點(diǎn)眾多、布線復(fù)雜、供電麻煩、成本高等問題設(shè)計(jì)了一個(gè)基于XY·CN總線的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用雙絞線通信，并采用總線供電，適合用在實(shí)時(shí)性高、數(shù)據(jù)量小、要求總線供電的場合，如：小區(qū)安防系統(tǒng)、集中抄表、醫(yī)院呼叫系統(tǒng)和小型生產(chǎn)線監(jiān)控等領(lǐng)域。

[1] 陳 新.基于Web的遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2003,32(4):433-436.

[2] 趙彥峰,袁煥宏.基于Web的遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].信息通信,2012(4):138-139.

[3] 薛永存,付 華.基于現(xiàn)場總線技術(shù)的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)[J].工業(yè)計(jì)算機(jī)控制,2005(10):12,14.

[4] 陳麗華,唐惠玲,陳小川.以太網(wǎng)在電氣化鐵道監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣化鐵道,2004(4): 9-11.

[5] 湯碧玉,曾 楠,鄭靈翔,等.嵌入式系統(tǒng)中基于Web的遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,43(5):632-635.

[6] 張曉燕,李力雄,費(fèi)敏銳.基于Web和現(xiàn)場總線的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2007(3): 9-11.

[7] 曦 陽·中國.XY·CN總線供電及通信系統(tǒng)(連載)——系統(tǒng)介紹及專用芯片在該系統(tǒng)中的應(yīng)用(上)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2007(12):84-85.

[8] 張 歡,閆學(xué)文,楊藝偉.基于XY·CN總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2014,27(2):15-17.

[9] 曦 陽·中國.XY·CN總線供電及通信系統(tǒng)(連載)——系統(tǒng)介紹及專用芯片在該系統(tǒng)中的應(yīng)用(下)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2008(1):84-85.

[10] 周愛軍,胡宏?duì)N,崔大連.基于LPC2368的CAN總線智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].艦船電子工程,2010, 30(7):124-126.

[11] 霍 凱,陳志鴻,趙潭羿.基于LPC2368的便攜式機(jī)車供電檢測儀的研制[J].中國儀器儀表, 2011(11):54-57.

[12] 彭 輝,蔣 武.基于μC/OS II的嵌入式以太網(wǎng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].控制工程,2011, 18(4):548-551.

[13] JEAN J. LABROSSE著,邵貝貝譯.μC/OS II-源碼公開的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)[M].北京：中國電力出版社,2001.

[14] 王 波,王 濤,金 英.基于虛擬儀器的氣動(dòng)伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2013,30(11):107-110.

[15] 三維書屋工作室，胡仁喜，高海賓.LabVIEW 2010中文版虛擬儀器從入門到精通[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

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(xué)第十批教育教學(xué)改革項(xiàng)目(2013-074)

王 波(1976-)，男，山東諸城人，博士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)闄z測技術(shù)與自動(dòng)化裝置。

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

TP 277

A

1006-7167(2017)08-0158-03