，志云， ，

(江西省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院，江西 南昌 330096)

基于ARM和μC/OS-Ⅱ的電梯平衡系數(shù)測試系統(tǒng)的研制

劉毅，劉志云，胡竑，程遠(yuǎn)

(江西省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院，江西 南昌 330096)

研制了一種以ARM嵌入式微處理器 LPC2214為硬件平臺(tái)，以μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)為軟件核心的電梯平衡系數(shù)測試系統(tǒng)。描述了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，給出了測試系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)思想和架構(gòu)，闡述了PC端的軟件模塊設(shè)計(jì)。

電梯；平衡系數(shù)；ARM；μC/OS-Ⅱ

0 引言

電梯平衡系數(shù)是保證電梯安全運(yùn)行的重要參數(shù)之一[1]。提出了一種電梯平衡系數(shù)智能測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)對從電流互感器測得的電流值進(jìn)行采樣、分析和存儲(chǔ)，并可通過自帶的面板按鍵和液晶顯示屏進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的輸入和相關(guān)功能的選擇。測試完成后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)管理、通過存儲(chǔ)的測試數(shù)據(jù)，繪制平衡系數(shù)曲線，并計(jì)算出平衡系數(shù)。如果平衡系數(shù)不在要求范圍內(nèi)，提出相應(yīng)的處理辦法。測試系統(tǒng)將通過RS232串口將數(shù)據(jù)傳遞給計(jì)算機(jī)，由上位機(jī)軟件自動(dòng)填寫測試報(bào)告，并打印出測試報(bào)告。

1 系統(tǒng)的工作原理與組成

硬件部分主要在LPC2214的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了交流電流采集電路模塊、顯示模塊以及通訊模塊。數(shù)據(jù)采集模塊主要包括信號(hào)輸入電路和信號(hào)處理電路，輸入數(shù)據(jù)采集通道由互感器、高速A/D、電壓比較器、FPGA構(gòu)成的頻率跟蹤電路和頻率控制電路構(gòu)成。顯示模塊主要由液晶觸摸顯示屏組成。通訊模塊主要包括串口電路和JTAG電路。

軟件部分是以μC/OS-Ⅱ[2]嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)首先需完成μC/OS-Ⅱ在 LPC2214的移植，并在其基礎(chǔ)上劃分為主任務(wù)、采樣任務(wù)、觸摸屏掃描任務(wù)、串口任務(wù)和顯示任務(wù)。主要完成采集A/D通道數(shù)據(jù)，A/D數(shù)據(jù)處理，觸摸屏指令接收和響應(yīng)、平衡系數(shù)計(jì)算以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

2 交流信號(hào)的采集

平衡系數(shù)的計(jì)算要用到電流值，首先要完成交流信號(hào)的采樣，高速采樣是由FPGA完成的。外部的電流信號(hào)通過高精度電流鉗夾和補(bǔ)償電路轉(zhuǎn)換成電壓值，這個(gè)電壓信號(hào)再通過可編程放大器調(diào)整到AD976最高分辨率的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 當(dāng)一個(gè)交流信號(hào)加到AD976，同時(shí)通過過零比較器LM311準(zhǔn)確地計(jì)算出信號(hào)的周期，對其進(jìn)行鎖相，再對指定鎖相周期的A/D芯片的原始采樣點(diǎn)進(jìn)行相乘累積。FPGA的良好編程保證了上述方案的運(yùn)行。

具體實(shí)現(xiàn)中，測量系統(tǒng)的 CPU 從A/D 轉(zhuǎn)換器讀取的數(shù)據(jù)是電流的瞬時(shí)值，因此，應(yīng)根據(jù)電流的瞬時(shí)值，采用離散化的方法計(jì)算出電流的有效值。

ΔTm為相鄰2次采樣的時(shí)間間隔；um為第m-1個(gè)時(shí)間間隔的電流采樣瞬時(shí)值；N為1個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)。

在相位比較器、低通濾波器和壓控振蕩器構(gòu)成的鎖相環(huán)內(nèi)加入N分頻器，輸入fi為被測信號(hào)的頻率，作為鎖相環(huán)的基準(zhǔn)頻率，輸出fo為采樣頻率。fo經(jīng)N分頻后與fi相比較，根據(jù)鎖相環(huán)工作原理，鎖定時(shí)fo/N=fi，即fo=Nfi。

由于鎖相環(huán)的實(shí)時(shí)跟蹤性，當(dāng)被測信號(hào)頻率fi變化時(shí)，電路能自動(dòng)快速跟蹤并鎖定，始終滿足fo=Nfi的關(guān)系，即采樣頻率為被測信號(hào)頻率的整數(shù)(N)倍。用該輸出去控制采樣/保持器，并啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，這樣就可以使N個(gè)采樣點(diǎn)均勻分布在被測電網(wǎng)信號(hào)的1個(gè)整周波內(nèi)，消除了同步誤差，實(shí)現(xiàn)了無相位差的同步采樣。鎖相環(huán)相位鎖定時(shí)，壓控振蕩器VCO能在一定范圍內(nèi)自動(dòng)跟蹤輸入信號(hào)的頻率變化，在頻率有畸變的情況下也能確保數(shù)據(jù)的同步采樣，保證測量精度。

系統(tǒng)中的頻率跟蹤電路由FPGA設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)工頻信號(hào)的鎖相倍頻，分頻比為1/64。在工頻信號(hào)恰好為50Hz的情況下，該電路的鎖相倍頻頻率為50×64=3 200Hz。并且，由于采集的對象為電流等模擬量，所以必須經(jīng)FPGA控制高速AD976將模擬量變成數(shù)字量，存入FPGA中。當(dāng)數(shù)據(jù)存滿后向ARM發(fā)中斷申請，ARM響應(yīng)后從FPGA中讀取數(shù)據(jù)，將FPGA的數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的RAM內(nèi)。然后進(jìn)行處理，將進(jìn)行處理后的電流值在ARM控制的顯示器上進(jìn)行顯示。

3 μC/OS-Ⅱ軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括3個(gè)層次：第1層為硬件驅(qū)動(dòng)層，這是儀器軟件和硬件的接口部分，通過調(diào)用硬件驅(qū)動(dòng)程序直接操作硬件；第2層為任務(wù)層，通過調(diào)用硬件驅(qū)動(dòng)程序和操作系統(tǒng)內(nèi)核函數(shù)完成各任務(wù)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)；第3層為μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)層，這是整個(gè)系統(tǒng)的管理核心，通過協(xié)調(diào)任務(wù)之間的通信和任務(wù)切換，實(shí)現(xiàn)對所有任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度和管理[3]。

在μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的管理下，測試系統(tǒng)定義了主任務(wù)、采樣任務(wù)、觸摸屏掃描任務(wù)、串口任務(wù)和顯示任務(wù)。

系統(tǒng)開機(jī)后由主任務(wù)啟動(dòng)這些功能模塊，為了保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，采樣任務(wù)為固定的400ms。觸摸屏為外部硬件中斷，由任務(wù)傳遞消息量來執(zhí)行。顯示任務(wù)最終把采樣的數(shù)據(jù)發(fā)到智能屏上顯示。LPC2214在設(shè)備中是管理CPU，高速采樣是由FPGA完成的。在進(jìn)行任務(wù)設(shè)計(jì)前，首先在主函數(shù)中，進(jìn)行操作系統(tǒng)的初始化，創(chuàng)建管理任務(wù)，最后啟動(dòng)多任務(wù)操作系統(tǒng)。

基于以上思路和測試儀的要求，劃分了以下幾個(gè)任務(wù)，各任務(wù)之間的相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 各任務(wù)間的相互關(guān)系

3.1 觸摸屏任務(wù)

首先初始化引腳定義(只執(zhí)行1次)，然后創(chuàng)建觸摸屏任務(wù)消息隊(duì)列，該任務(wù)循環(huán)等待用戶觸屏操作。當(dāng)發(fā)生觸屏操作產(chǎn)生串口硬件中斷，對用戶的觸控操作進(jìn)行必要的去抖動(dòng)，發(fā)送對應(yīng)鍵碼作為消息量參數(shù)發(fā)給主任務(wù)。主任務(wù)處理對應(yīng)的消息隊(duì)列，并重新開始觸摸屏任務(wù)。

3.2 采樣任務(wù)

采樣任務(wù)是一個(gè)受控任務(wù)，完成FPGA的數(shù)據(jù)交換和指令執(zhí)行。包括采樣周期，鎖相頻率都由主任務(wù)調(diào)度。但其首先要初始化FPGA，并創(chuàng)建采樣任務(wù)消息隊(duì)列。然后定時(shí)開始采樣任務(wù)，發(fā)送消息量參數(shù)給主任務(wù)。而主任務(wù)到指定的數(shù)據(jù)區(qū)(雙口RAM)取數(shù)，并重新開始采樣任務(wù)。

3.3 串口任務(wù)

利用一個(gè)消息隊(duì)列接收串口中斷中的消息，即是對通信幀進(jìn)行處理和解釋，其中通信幀采用4字節(jié)格式，再執(zhí)行相應(yīng)的操作。串口中斷服務(wù)程序則接收到4字節(jié)的通信幀后觸發(fā)中斷，將內(nèi)容讀取后發(fā)送到串口任務(wù)的消息隊(duì)列。若觸發(fā)了發(fā)送中斷，同時(shí)把緩沖區(qū)中的測量值發(fā)送到上位機(jī)。

3.4 顯示任務(wù)

顯示任務(wù)作為定時(shí)任務(wù)，完成采樣數(shù)據(jù)到智能屏的顯示。分為ASCII碼顯示、漢字顯示、數(shù)值顯示、字符顯示、曲線顯示和圖形顯示。

其流程為：初始化智能屏對應(yīng)的I/O口；創(chuàng)建顯示任務(wù)消息隊(duì)列；定時(shí)開始顯示任務(wù)，發(fā)送消息量參數(shù)給主任務(wù)；主任務(wù)取出數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)指令格式發(fā)送到智能屏，并重新開始顯示任務(wù)。

4 上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

采用.NET Framework 平臺(tái)開發(fā)上位機(jī)系統(tǒng)，用于上下位機(jī)通信狀態(tài)識(shí)別、控制、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸，軟件界面編寫和平衡系數(shù)曲線繪制，生成檢測結(jié)果Word報(bào)告。

4.1 串口通信的實(shí)現(xiàn)

在.NET Framework 2.0中提供了 SerialPort 類，該類主要實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)通信等。

4.2 界面編寫和曲線繪制

曲線圖是用DrawLine( )函數(shù)將各個(gè)點(diǎn)一點(diǎn)一點(diǎn)連接起來，所以大部分時(shí)候也叫折線圖。但是.NET中還有一個(gè)DrawCurve( )函數(shù)，它可以直接畫出一條曲線或者折線，還可以設(shè)置張力(tension)值。

4.3 報(bào)告生成

Office是基于COM組件技術(shù)開發(fā)的，屬于非托管程序，然而C#使用的都是托管程序，那么如何使用非托管的COM組件，就是操作Word的第1個(gè)問題。通過轉(zhuǎn)換工具tlbimp.exe，可以把COM組件轉(zhuǎn)化為.NET Framework可以直接調(diào)用的DLL文件。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)采用以ARM為核心、基于μC/OS-Ⅱ的設(shè)計(jì)方案，以任務(wù)形式劃分功能，為其功能擴(kuò)展和產(chǎn)品升級(jí)提供了方便，降低了開發(fā)難度。傳感器、高速A/D、電壓比較器、FPGA構(gòu)成的頻率跟蹤電路和頻率控制電路構(gòu)成數(shù)據(jù)采集電路，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和測量精度。與以往基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有更高的運(yùn)算速度和更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，提出的解決方案已在實(shí)驗(yàn)中得到初步驗(yàn)證，具有一定穩(wěn)定性。

[1] 毛懷新．電梯與自動(dòng)扶梯技術(shù)檢驗(yàn)[M]．北京：學(xué)苑出版社，2001．

[2] Labrosse J J.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ[M]. 邵貝貝,譯.2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[3] 周慈航，吳光文．基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)技術(shù)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006．

A Elevator Balance Coefficient Test System Based on ARM and μC / OS-Ⅱ

LIUYi，LIUZhiyun，HUHong，CHENGYuan

(Special Equipment Inspection and Testing Institute of Jiangxi Province，Nanchang 330096,China)

A elevator balance coefficient test system based on ARM LPC2214 and μC / OS-Ⅱ is developed in this paper. It describes the overall structure of the system firstly, then introduces the ideas and basic architecture of the test system software and hardware design. The software modules design on computer is discussed finally.

elevator；balancing coefficient；ARM；μC/OS-Ⅱ

2014-04-23

國家質(zhì)檢總局質(zhì)量監(jiān)督技改技裝專項(xiàng)(2003zjjz174)

TP216

A

1001-2257(2014)10-0035-03

劉毅(1983-),男,江西南昌人，工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)電類產(chǎn)品檢驗(yàn)檢測；劉志云(1962-)，男，江西南昌人，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)電類產(chǎn)品檢驗(yàn)檢測。