基于μC/OS-Ⅲ和LwIP時柵位移傳感器多模式網絡接口設計

(重慶理工大學 機械檢測技術與裝備教育部工程研究中心,重慶 400054)

互聯網技術日新月異，各類家電家具、儀器儀表均順應互聯網發展潮流，進軍網絡化、智能化方向。網絡連接是實現各類設備互聯、數據傳輸、信息共享、遠程監控等功能的必需環節。另外，在互聯網背景下，嵌入式系統技術的快速發展帶動了各類嵌入式設備網絡互連與協同工作的發展潮流，例如，傳感器無線化、家電家居智能化、儀器儀表智能化。這些設備所采用網絡連接協議中，TCP/IP協議是主流，其主要原因在于嵌入式系統結合TCP/IP協議不僅具有可實現系統與網絡直連的功能，而且無需額外的網管設備，可減少入網環節，提高嵌入式設備實現通信的效率[1-3]。其中，在實現設備或系統網絡連接的過程中，高效穩定的網絡協議是保證系統設備性能的關鍵。嵌入式系統結合網絡功能是嵌入式系統的發展趨勢，這種類型的系統具有更為強大的功能，應用領域也越來越廣。但是，大多數嵌入式設備使用的是經濟型處理器，網絡連接、數據傳輸效率等受限于內存和速度，可用資源有限進一步造成無法完全實現所有的TCP/IP協議，同時也不是必需的。LwIP是一種小型開源的TCP/IP協議棧，任何人都可以使用，可以在裸機環境中運行，它可以輕松移植到多任務操作系統，不僅能夠實現TCP的主要功能，而且具有占用內存小的優點，適合在嵌入式系統中使用。μC/OS-Ⅲ則是專為嵌入式系統應用設計的基于優先級的搶先式多任務實時操作系統。開源代碼、良好的實時性能和便攜式切割包括任務管理和調度、任務之間的同步和通信、實現中斷時鐘管理和內存管理等任務，多年的實際應用驗證了其穩定性和可靠性。

時柵位移傳感器不同于傳統的柵式位移傳感器(如光柵、磁柵等)，能夠克服高精度機械刻線加工誤差大、難度大，及生產成本高等缺點，可實現位移量的高精度測量[4-6]。然而，隨著時柵位移傳感器的產業化和市場需求的增加，時柵需要向網絡化、智能化方向轉型發展以滿足市場需求，進一步穩固且拓展自身市場。在此過程中，以現代通信網絡技術、智能傳感技術、儀器儀表測控技術等為一體的新型時柵位移傳感器順勢而生，該類型傳感器具有高效、實時、穩定的傳感器動態性能?；诖?，在原理上沿襲以時間測量空間的思想，以ARM微處理器STM32F407和以太網、Wi-Fi、4G接口為平臺，采用μC/OS-Ⅲ嵌入式操作系統和LwIP協議，使用協議棧提供的三個應用程序接口，實現嵌入式設備的網絡通信功能，最終實現時柵傳感器位移信息輸出、傳感器智能化聯網、遠程故障診斷、在線校正和大數據采集[7-8]。

1 時柵位移傳感器的工作原理

時間位移傳感器的工作原理如圖1所示。三相交流電流以時間120°，分別送入空間對稱的三相交流繞組，線圈架的中心放置Pa作為動測頭，Pb作為固定定測頭嵌入線圈架。根據電磁感應原理，移動動測頭，則在定測頭會產生相應的感應電動勢：

(1)

式中，FX1為旋轉磁場幅值，X=A,B,C。根據感應電動勢疊加原理，三相感應電動勢可求和得出基波，方程為

f=fA1+fB1+fC1=F1sin(ωt-α)

(2)

式中，F1為疊加成的空間磁場幅值的大?。沪貫榧铍娏黝l率的大??；α為動測頭由初始位置運動到所處位置角度的大小。

動測頭和定測頭都輸出帶有相位的行波信號，行波信號經過時柵信號處理系統可以得出動測頭的位移信息。時柵信號處理系統對行波信號的處理過程包括：首先將行波信號經過放大、低通濾波以及過零比較電路輸出方波信號，該方波信號和同頻參考信號相減得出相位差，再對兩路方波信號的上升沿進行捕獲，經過高頻時鐘脈沖插補最終可分別得到時間Ti、T0以及信號周期T。經過角位移解算，即可得出時柵角位移θ的大小。其中，W表示時柵對極的節距值。

θ=(Ti-T0)/T×W

(3)

圖1 時柵位移傳感器原理圖

2 系統方案設計

筆者設計了一種高速率、高精度和智能化的時柵系統。該系統具有雙CPU，分別為STM32F4微控制器和DSP數字信號處理器。其中，STM32F4芯片負責控制整個系統的運行以及與外部的通信；DSP芯片完成時柵數據采集及分析處理、誤差修正等功能。不同芯片要求的工作電壓有所差異，整個系統涉及不同大小的工作電壓，這些電壓由專門的電源電路模塊提供，在電壓穩定的條件下，系統進行初始化工作。此后由STM32F4微控制器向AD9959輸入控制字輸出兩路正交激勵信號。該信號功率小，需要進行功率放大等處理以便于驅動時柵傳感器位移測量系統。將滿足需求的兩路正交激勵信號通入對應的激勵繞組中，動測頭運動后感應線圈輸出相應的感應信號，感應信號經過放大、濾波、隔離、整形等環節后輸入DSP中進行后續的數據采集及處理。這一環節若有誤差產生可反饋輸出到STM32F4進一步控制傳感器感應信號傳輸及處理，對誤差進行修正處理，同時該過程中的誤差數據可通過Ethernet、Wi-Fi、4G三種網絡接口輸出，同步傳輸至系統終端顯示，便于實驗人員對數據進行相關分析。整個系統可以實現對時柵測量系統各模塊的監控，并且可以為相關人員提供數據分析支撐，終端部分可以對時柵測量過程中所產生的各項數據進行分析診斷，實現了時柵的網絡化和智能化。系統總體設計框圖如圖2所示。

3 硬件設計

3.1 信號處理模塊

信號貫穿整個時柵測量、信號處理系統，具體包括時柵激勵信號、時柵感應信號、時柵信號處理系統中各環節的輸出輸入信號。信號傳輸和處理的過程中，信號誤差不可避免，并且信號處理和傳輸環節的增加會增加信號產生誤差的可能性。為了實時掌握時柵系統各環節信號的狀態、分析信號的誤差來源以及高效完成信號誤差修正，最終達到精確測量位移的目的。采用分環節采集信號的方法，將信號傳遞的系統分解為具體環節，對每環節都進行數據實時采集，實時掌握信號的變化情況。當信號發生變化產生誤差時，可以對所采集的信號進行分析，環環相扣，分析誤差來源，可精確定位信號發生了偏差時所處環節。誤差定位完成后，可隨之有針對性地進行誤差修正。實時監控信號數據、定位誤差位置，及時完成修正，同時把各個環節的數據采集發送到上位機，對其大數據分析，實時掌握整個時柵系統的運行情況，這些可在很大程度上提高時柵測量位移的效率和精度。信號處理框圖如圖3所示。

圖3 信號處理框圖

3.2 以太網模塊

以太網模塊的接口電路采用Microchip公司的ENC28J60芯片，該芯片功能強大、擴展功能多。例如：支持一個內部的DMA控制器，具有獨立的外設接口的以太網控制器[7-8]。使用該芯片可以解決因數據包過大而引起的數據丟失的問題，并且數據包傳輸速率大，可達10 MB/s。另外由于它滿足全部IEEE 802.3網絡協議標準，還具有為任何設備提供以太網接口控制器的強大功能。

3.3 Wi-Fi模塊

Wi-Fi接口芯片采用上海慶科公司開發的高速率串口ESP8266，該芯片尤其適用于串口設備的無線網絡，在集成了TCP/IP協議棧和Wi-Fi驅動的基礎上做到了高速率傳輸[9-10]。STM32F4芯片和一個使用SDIO接口的Wi-Fi芯片是Wi-Fi模塊的主體，STM32芯片的Flash存儲Wi-Fi驅動程序。外部設備對數據通信的控制則可以通過操作UATA接口實現。

3.4 4G模塊

在4G通信接口設計中，采用的是SIMCOM公司生產的工業級雙頻芯片SIM900，該芯片具有功耗低、供電范圍寬(3.2～4.8 V)、支持回聲抑制算法等特點，性價比很高。RS232以及LVTTL串口，帶硬件流控制使得該芯片可十分方便、快捷地與所開發產品進行連接、調試，電腦輸出電壓滿足其工作要求，也可與單片機等實現直接連接，使用語音、短信、數據傳輸功能[9-10]。這些功能使得4G通信模塊能夠很好地與時柵系統和外部中斷進行連接，實現GPRS傳輸、語音通話和短信通信等功能。

4 軟件設計

4.1 μC/OS-Ⅲ操作系統的移植

實時嵌入式操作系統μC/OS-Ⅲ包括資源同步、資源管理和任務間相互通信等功能，最多可以支持64個任務，且對所運行任務進行優先級設置，方便用戶調用[11-12]。同時，它還能夠實時測量其操作性能，能夠等待多個信號量和消息隊列，任務之間的通信可采用信號量和消息郵箱方式完成，而這些功能在其他實時內核中是不存在的。

處理器STM32F407在移植μC/OS-Ⅲ源代碼時，有些內容需要修改，有些則保留。對于不需要修改的文件，可以通過在項目目錄中添加相應文件實現。而對于需要修改源代碼的文件(OS_CPU.C、COS_CPU.H及OS_CPU_A.ASM)，具體情況是：① OS_CPU.C文件中需要修改OSTaskStkInit函數來保證任務跳轉到正確執行語句的地方，采用入口地址對LR和PC進行初始化；② OS_CPU.H頭文件中修改與編譯器相關的數據類型以及改寫與處理器相關的少量代碼段；③ OS_CPU_A.ASM匯編文件中有4個函數需要修改OSSstartHighRdy、OSCtxSw、OSIntCtxSw和OSTickISR。在操作系統開始計劃任務之前，OSSstartHighRdy函數僅執行一次。OSCtxSW是任務切換函數。匯編函數OSIntCtxSW是一個中斷級任務切換功能。系統時鐘節拍的中斷服務函數是OSTickISR。

4.2 LwIP協議棧的移植

LwIP協議是由Adam Dunkels開發的小型開放源碼TCP/IP協議棧，操作系統不是其必要的運行條件，適合在嵌入式系統中使用[13]。LwIP需要修改與操作系統相關的部分，由于時柵信息是用信號量通信，則需要修改sys_arch.h、sys_arch.c中參數，來實現信號量結構體sys_sem_t和相關的信號量，包括sys_sem_new( )、sys_sem_free( )、sys_sem_signal( )、sys_arch_sem_wait( )等函數，這樣形成信號量的建立、釋放、發送和等待接收功能。與CPU或編譯器相關的部分LwIP的修改中，還需要修改/include/arch目錄下cc.h和lwipopts.h文件中的有關參數，使得數據長度、字的高低位順序等的宏定義發生相應的變化。netconn API應用程序設計流程圖如圖4所示。

圖4 netconn API應用程序設計

4.3 以太網模塊設計

關于以太網模塊設計，主要介紹ENC28J60接收數據的過程。ENC28J60首先需要進行初始化，在初始化完成之后再發送和接收MAC幀來實現數據的通信。

具體過程如下：首先需要設置接收緩沖器的指針，打開數據包接收功能；緩沖區自動接收數據包，在此過程中會過濾不符合數據幀格式的數據包；解析數據包。中斷服務程序則用于對數據報頭進行分析，對不同類型的數據包(ARP包、ICMP包、UDP包)分別進行處理，然后讀取數據包數據。ENC28J60的接收數據過程，如圖5所示。

4.4 Wi-Fi模塊設計

Wi-Fi模塊的主要工作流程如下：首先檢測station的連接狀態，若沒有連接成功，則一直循環查詢station狀態，若連接成功，成功狀態需要等待2s左右再設置DHCP網絡協議。其次就是檢測配置轉態，若配置失敗，則會一直循環查詢其配置狀態，直到配置成功后再設置espconn參數。參數配置完成之后對回調函數進行注冊連接，建立TCP偵聽，查詢是否有數據[13-14]。

圖5 ENC28J60接收數據包流程圖

服務器在偵聽到客戶端發送數據狀態，會立即建立和客戶端之間的連接，并且開始接收其發送的數據，利用程序對所接收數據進行分類，判斷是指令型數據還是信息類數據。發送指令型數據用于控制，利用Flash存儲信息類數據。ESP8266工作處理函數流程圖，如圖6所示。

4.5 4G模塊設計

關于4G模塊，SIM900模塊工作時需要先進行相關參數的初始化，然后通過采用USART串口實現波特率和STM32F4之間的同步。接下來進行SIM卡的注冊，并且判斷是否注冊成功，一直查詢注冊狀態直到注

圖6 ESP8266工作處理函數流程圖

冊成功后才停止。注冊成功后進入設置該芯片環節，芯片在被設置為休眠模式時可以有2種數據傳輸選擇，分別為：TCP協議模式和短信模式。不同模式的數據傳輸方式不同，短信模式下工作流程為：首先設置為文本模式和設置接收號碼，然后等待是否有數據要發送，若有數據發送則讀取存儲器中的數據，將信息發送給接收號碼。則TCP協議模式的工作方式為：首先通過TCP協議的三次握手的方式，連接上時柵監控系統的端口號和IP地址。等待數據，若有數據需要進行發送，則進入存儲器讀取數據，并以GPRS網絡進行發送，否則進入休眠模式。SIM900軟件控制流程圖，如圖7所示。

圖7 SIM900軟件控制流程圖

5 系統測試

圖8為時柵多模式網絡接口測試平臺，主要包括：① 時柵傳感器，測量位移；② 光柵，測量位移，結果作為真值；③ 大理石實驗臺，放置各實驗裝置，保證平穩性；④ 步進電機，精準控制光柵和時柵進行勻速運動，保證系統正常運行；⑤ 信號處理板，包括STM32F07ZGT6主控制電路、以太網、Wi-Fi、4G通信接口電路；⑥ 控制系統電氣箱，為整個系統提供電源；⑦ 上位機界面，實時顯示信號采集系統傳輸數據，信號曲線、傳感器運行狀態、歷史數據等。

圖8 時柵多模式網絡接口測試平臺

圖9為時柵系統的服務器接收窗口，在PC機上顯示。數據傳輸主要通過以太網或Wi-Fi接口實現，同時，也可將手機終端通過4G或者Wi-Fi接收到的數據傳輸給PC機進行顯示處理，這種多樣化的數據傳輸方式構成了整個系統多種網絡模式數據傳輸模式。

圖9 服務器接收窗口

該模式可解決由于不在測量現場或者不具備使用PC機的條件下而無法獲悉時柵系統運行狀態的難題。同時，PC機可存儲較為大量的時柵信號等數據，可以作為各個時柵傳感器運行過程數據的存儲站，為實時掌握時柵運行狀態、及時修正信號誤差、收集時柵運行數據等提供良好條件。應了解每臺時柵傳感器的運行特性，有針對性地采用不同的故障診斷的方法，測試修正幅值、相位和頻率，保證每臺時柵都能夠正常運行。幅值測試結果如圖10所示，整個系統誤差曲線如圖11所示，誤差范圍為±2″。

圖10 幅值測試數據

圖11 系統誤差曲線

6 結束語

通過采用基于Cortex-M4內核的微控制器STM32F407ZGT6硬件平臺，充分利用μC/OS-Ⅲ實時操作系統和LwIP輕量型網絡協議棧的特點，選擇以太網、Wi-Fi、4G作為互聯網通信多模式網絡接口，實現傳感器互聯網功能，建立時柵位移傳感器產品后臺服務終端。并詳細介紹了系統的總體構成，以及軟硬件實現方法，整個系統能夠實現遠程故障診斷和校驗，可極大提高時柵位移傳感器智能化和數字化水平，促進時柵產業化。