引言

在一些工業現場中，設備長時間運行容易出現故障，為了監控這些設備，通常利用數據采集裝置采集他們運行時的數據并送給PC機， 通過運行在PC機上的特定軟件對這些數據進行分析，以此判斷當前運行設備的狀況，進而采取相應措施。當前常用的數據采集裝置，在其系統軟件設計中，多采用 單任務順序機制。這樣就存在系統安全性差的問題。這對于穩定性、實時性要求很高的數據采集裝置來說是不允許的，因此有必要引入嵌入式操作系統。本文以 μC/OSII為操作系統平臺，基于arm7系列處理器設計了一種通用的高性能數據采集控制系統。

1 系統總體設計

系統總體結構框圖如圖1所示。系統采用LPC2220工業級ARM7微控制器，內嵌μC／0S—II實時操作系統，支持10M以太網(工業級)、CF卡接口、USB主機控制器、板載電子硬盤FOB(Flash On Board)、A／D轉換、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總線的數據采集控制模塊，可實現對電壓、電流、脈沖／頻率、狀態量等各種類型信號的采集和開關量控制，以滿足設施環境內各種傳感器數據的采集和執行機構的智能化控制。

2 硬件設計

2．1 MiniARM工控模塊

MiniARM工控模塊主要由LPC2220(ARM7TDMI)微控制器、程序存儲器、數據存儲器、工業級以太網控制器CS8900A、USB Host控制器和NAND F1ash存儲器組成。MiniARM工控模塊接口圖如圖2所示。

同時工控模塊有256M的板載電子盤，一個標準的外置RTC實時時鐘(PCF8563)，2個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。同時工控模塊內嵌μC／OS—II實時操作系統，TCP／IP協議以及FAT32文件管理系統等。工控模塊上的這些軟硬件資源，可以很方便的實現遠程網絡訪問，以及大容量的數據存儲，滿足我們的需要。

2．2．1 數據采集／控制模塊設計

數據采集／控制模塊的設計如圖3所示，具有4個輸入或輸出通道，通過單片機實現數據采集與控制，與核心模塊之間通過RS485總線實現通訊，采用光電隔離技術和內嵌工業標準的Modbus協議，有效增強通訊穩定性，通訊距離可延伸至1200米，總線驅動能力可達128個模塊。

3 軟件設計

3．1 核心模塊軟件設計

μC／OS—II是個實時操作系統。它是一個完整、可移植、可固化及可剪裁的搶占式多任務內櫳適合小型控制系統具有執行效率高、占用空間小等特點。μC／OS-II系統內核的核心是任務調度機制。μC／OS-II下每個任務可以有休眠、就緒、運行以及中斷等狀態。μC／OS-II提供的任務間的通信力式有很多，如信號量、消息郵箱、消息隊列和事件標志組等。

核心模塊內嵌μC／OS—II實時操作系統，根據數據采集控制系統所需要完成的功能和需求，將系統劃分為5個任務：數據采集控制任務，數據存儲任務，遠程網絡訪問任務，用戶界面任務以及用戶應用程序任務。為了保證系統的實時性，必須合理的設定任務的優先級。為了簡化設計，對于運行任務較少的數控系統可以采用靜態任務優先級分配。根據任務對響應時間的敏感程度及重要性，任務的優先級次序如下：

用戶應用程序>數據采集控制任務>用戶界面任務>數據存儲任務>遠程網絡訪問任務，每個任務實現一種相對獨立的功能，系統任務流程圖如圖4所示。

數據采集控制任務主要完成數據的采集和對開關量的控制。核心模塊作為主機，采集控制模塊作為從機。主機通過論詢的方式，每隔1秒向從機依次發送Modbus讀寄存器命令幀。從機收到命令后，向主機返回采集到的數據。當程序控制邏輯或用戶通過觸摸屏需要開關量動作時，主機向從機發送寫寄存器命令幀，相應的從機響應并打開或關閉電磁閥。

數據存儲任務主要完成對采集到的數據的存儲。當數據采集控制任務完成一次數據采集任務之后，數據存儲任務會在電子盤上建立txt文件，并將數據存儲到文件中。當數據存儲任務檢測到有U盤插入時，會將電子盤上的txt文件轉存到U盤，并刪除電子盤上的原文件。

遠程網絡訪問任務主要實現用戶通過網頁瀏覽器實現對數據的查看和對開關的控制。遠程網絡訪問任務一直監控有沒有HTTP請求，當有HTTP請求時任務會將數據以HTTP協議發送給瀏覽器客戶端。用戶對控制模塊的遠程控制是通過提交表單的形式來實現的。

用戶界面任務主要完成用戶與系統的交互。通過大屏幕彩色液晶實時顯示采集到的數據，并且可以顯示數據的實時曲線。用戶以通過觸摸屏可以對系統進行設置和控制。

3．2 數據采集／控制模塊軟件設計

RS一485標準只是一個物理的通信接口標準，要實現總線監控還要在此基礎上建立自己的高層通信協議。Modbus協議是美國可編程控制器供應商Modicon公司制定的一種工業通訊協議，現在已經被許多工控廠商所支持，廣泛的應用到只能儀表，總線監控等領域。

Modbus協議采用主從結構的通信方式，適用于半雙工的RS一485總線。協議規定總線上有一個主機，多個從機，每個主機分配唯一的地址。工作時可采用命令／應答的通訊方式，主機向要從機發出命令幀，地址匹配的從機進行響應，并向主機發出與命令幀對應的應答幀。Modbus有兩種通信模式：ASCII模式和RTU模式。在本系統中采用RTU模式。RTU消息幀典型格式如表l所示。

在本采集控制系統中，核心模塊作為主機，各個采集和控制模塊作為從機響應主機發出的命令幀。當主機發送Ox03功能碼時，從機會把模擬量的值或者狀態量／頻率量的值返回給主機。當主機發送0x16功能碼時，會使控制模塊開關量通斷，并且控制模塊會返回當前的狀態。每個數據采集／控制模塊有4路輸入或輸出通道。因此在每個采集／控制模塊內部定義了4個寄存器，每個寄存器占兩個字節。采集／控制模塊按字節接收數據，每接收一個字節就進入一次串口中斷。進入串口中斷之后，對接收到的數據進行解析。解析數據的流程圖如圖5所示。

4 結束語

該系統采用了實時操作系統，使系統優先級明確，提高了實時性，同時實現了大容量的數據存儲和遠程網絡訪問。