基于μC／OS―II操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)

摘要：為了滿足自動(dòng)灌溉施肥的要求，開發(fā)了一款數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。以ARM處理器為核心，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集和控制模塊。各模塊之間通過485總線連接，采用標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS協(xié)議通信。根據(jù)系統(tǒng)軟硬件環(huán)境定制了μC／OS―II操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)的有效調(diào)度，大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問。此系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于灌溉施肥的控制，并且能夠根據(jù)用戶的設(shè)置很好的完成施肥任務(wù)。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；ARM；RS485；Modbus；C／OS―II；文件系統(tǒng)

O 引言
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，智能化、自動(dòng)化、精確化的灌溉和施肥技術(shù)正逐漸取代傳統(tǒng)的灌溉方式。在施肥過程中，需要在線檢測(cè)肥料溶液的酸堿度和電導(dǎo)率以及灌溉壓力、管道流量等，然后根據(jù)這些參數(shù)來控制電磁閥和水泵的運(yùn)行達(dá)到自動(dòng)灌溉施肥的目的。目前，常用的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)都是為某一實(shí)際應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，通用性和可擴(kuò)展性差、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力不足，價(jià)格昂貴。因此基于周立功公司的ARM7核心板設(shè)計(jì)了一種通用的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，并且已經(jīng)應(yīng)用到自動(dòng)灌溉施肥系統(tǒng)中，能夠滿足穩(wěn)定性，實(shí)時(shí)性以及大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求。該數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可以很方便的擴(kuò)展和剪裁模塊，同時(shí)只要對(duì)軟件進(jìn)行少量修改就可以方便的移植到其它應(yīng)用系統(tǒng)中。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用LPC2220工業(yè)級(jí)ARM7微控制器，內(nèi)嵌μC／0S―II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，支持10M以太網(wǎng)(工業(yè)級(jí))、CF卡接口、USB主機(jī)控制器、板載電子硬盤FOB(Flash On Board)、A／D轉(zhuǎn)換、低功耗RTC等功能。核心模塊與各采集控制模塊之間采用具有光電隔離的RS485通訊接口。基于RS485總線的數(shù)據(jù)采集控制模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流、脈沖／頻率、狀態(tài)量等各種類型信號(hào)的采集和開關(guān)量控制，以滿足設(shè)施環(huán)境內(nèi)各種傳感器數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的智能化控制。通過系統(tǒng)硬件擴(kuò)展和軟件開發(fā)，可完整地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、報(bào)警、設(shè)備控制、智能管理、報(bào)表統(tǒng)計(jì)等通用功能，滿足各種設(shè)施環(huán)境的智能控制與管理。

2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 MiniARM工控模塊
MiniARM工控模塊主要由LPC2220(ARM7TDMI)微控制器、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)控制器CS8900A、USB Host控制器和NAND F1ash存儲(chǔ)器組成。MiniARM工控模塊接口圖如圖2所示。

同時(shí)工控模塊有256M的板載電子盤，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的外置RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘(PCF8563)，2個(gè)UART控制器，一路高速I2C總線以及一路高速SPI總線等硬件資源。同時(shí)工控模塊內(nèi)嵌μC／OS―II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，TCP／IP協(xié)議以及FAT32文件管理系統(tǒng)等。工控模塊上的這些軟硬件資源，可以很方便的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問，以及大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，滿足我們的需要。
2．2．1 數(shù)據(jù)采集／控制模塊設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集／控制模塊的設(shè)計(jì)如圖3所示，具有4個(gè)輸入或輸出通道，通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制，與核心模塊之間通過RS485總線實(shí)現(xiàn)通訊，采用光電隔離技術(shù)和內(nèi)嵌工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議，有效增強(qiáng)通訊穩(wěn)定性，通訊距離可延伸至1200米，總線驅(qū)動(dòng)能力可達(dá)128個(gè)模塊。