摘要：為了滿足自動(dòng)灌溉施肥的要求，開(kāi)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(guò)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(wèn)。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(guò)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(lái)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?；赗S485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(kāi)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(guò)系統(tǒng)硬件擴(kuò)展和軟件開(kāi)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(wèn)，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(guò)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(guò)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。
    采集控制系統(tǒng)中共設(shè)計(jì)了三種模塊，模擬量采集模塊、狀態(tài)量／頻率采集模塊以及繼電器輸出控制模塊。每個(gè)模塊均以C8051F330單片機(jī)為核心。該單片機(jī)具有內(nèi)部A／D和一個(gè)串口以及定時(shí)器，管腳較少，價(jià)格低廉很適合做采集模塊的控制器。在模塊中，C805lF330單片機(jī)的串口通過(guò)跳線實(shí)現(xiàn)復(fù)用，通過(guò)NAX3221電平轉(zhuǎn)換芯片可以實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信，或者通過(guò)MAX485E轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)RS一485總線通訊。

3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 核心模塊軟件設(shè)計(jì)
    μC／OS—II是個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它是一個(gè)完整、可移植、可固化及可剪裁的搶占式多任務(wù)內(nèi)櫳適合小型控制系統(tǒng)具有執(zhí)行效率高、占用空間小等特點(diǎn)。μC／OS-II系統(tǒng)內(nèi)核的核心是任務(wù)調(diào)度機(jī)制。μC／OS-II下每個(gè)任務(wù)可以有休眠、就緒、運(yùn)行以及中斷等狀態(tài)。μC／OS-II提供的任務(wù)間的通信力式有很多，如信號(hào)量、消息郵箱、消息隊(duì)列和事件標(biāo)志組等。
    核心模塊內(nèi)嵌μC／OS—II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，根據(jù)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)所需要完成的功能和需求，將系統(tǒng)劃分為5個(gè)任務(wù)：數(shù)據(jù)采集控制任務(wù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)，遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)任務(wù)，用戶界面任務(wù)以及用戶應(yīng)用程序任務(wù)。為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，必須合理的設(shè)定任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，對(duì)于運(yùn)行任務(wù)較少的數(shù)控系統(tǒng)可以采用靜態(tài)任務(wù)優(yōu)先級(jí)分配。根據(jù)任務(wù)對(duì)響應(yīng)時(shí)間的敏感程度及重要性，任務(wù)的優(yōu)先級(jí)次序如下：
    用戶應(yīng)用程序>數(shù)據(jù)采集控制任務(wù)>用戶界面任務(wù)>數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)>遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)實(shí)現(xiàn)一種相對(duì)獨(dú)立的功能，系統(tǒng)任務(wù)流程圖如圖4所示。

    數(shù)據(jù)采集控制任務(wù)主要完成數(shù)據(jù)的采集和對(duì)開(kāi)關(guān)量的控制。核心模塊作為主機(jī)，采集控制模塊作為從機(jī)。主機(jī)通過(guò)論詢的方式，每隔1秒向從機(jī)依次發(fā)送Modbus讀寄存器命令幀。從機(jī)收到命令后，向主機(jī)返回采集到的數(shù)據(jù)。當(dāng)程序控制邏輯或用戶通過(guò)觸摸屏需要開(kāi)關(guān)量動(dòng)作時(shí)，主機(jī)向從機(jī)發(fā)送寫寄存器命令幀，相應(yīng)的從機(jī)響應(yīng)并打開(kāi)或關(guān)閉電磁閥。
    數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)主要完成對(duì)采集到的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。當(dāng)數(shù)據(jù)采集控制任務(wù)完成一次數(shù)據(jù)采集任務(wù)之后，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)會(huì)在電子盤上建立txt文件，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到文件中。當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)檢測(cè)到有U盤插入時(shí)，會(huì)將電子盤上的txt文件轉(zhuǎn)存到U盤，并刪除電子盤上的原文件。
    遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)任務(wù)主要實(shí)現(xiàn)用戶通過(guò)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的查看和對(duì)開(kāi)關(guān)的控制。遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)任務(wù)一直監(jiān)控有沒(méi)有HTTP請(qǐng)求，當(dāng)有HTTP請(qǐng)求時(shí)任務(wù)會(huì)將數(shù)據(jù)以HTTP協(xié)議發(fā)送給瀏覽器客戶端。用戶對(duì)控制模塊的遠(yuǎn)程控制是通過(guò)提交表單的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
    用戶界面任務(wù)主要完成用戶與系統(tǒng)的交互。通過(guò)大屏幕彩色液晶實(shí)時(shí)顯示采集到的數(shù)據(jù)，并且可以顯示數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)曲線。用戶以通過(guò)觸摸屏可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置和控制。
    用戶應(yīng)用程序任務(wù)主要是根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的要求，提取和處理有用的數(shù)據(jù)完成一些邏輯控制功能。
3．2 數(shù)據(jù)采集／控制模塊軟件設(shè)計(jì)
    RS一485標(biāo)準(zhǔn)只是一個(gè)物理的通信接口標(biāo)準(zhǔn)，要實(shí)現(xiàn)總線監(jiān)控還要在此基礎(chǔ)上建立自己的高層通信協(xié)議。Modbus協(xié)議是美國(guó)可編程控制器供應(yīng)商Modicon公司制定的一種工業(yè)通訊協(xié)議，現(xiàn)在已經(jīng)被許多工控廠商所支持，廣泛的應(yīng)用到只能儀表，總線監(jiān)控等領(lǐng)域。
    Modbus協(xié)議采用主從結(jié)構(gòu)的通信方式，適用于半雙工的RS一485總線。協(xié)議規(guī)定總線上有一個(gè)主機(jī)，多個(gè)從機(jī)，每個(gè)主機(jī)分配唯一的地址。工作時(shí)可采用命令／應(yīng)答的通訊方式，主機(jī)向要從機(jī)發(fā)出命令幀，地址匹配的從機(jī)進(jìn)行響應(yīng)，并向主機(jī)發(fā)出與命令幀對(duì)應(yīng)的應(yīng)答幀。Modbus有兩種通信模式：ASCII模式和RTU模式。在相同的情況下，RTU模式比ASCII模式能夠傳送更多的數(shù)據(jù)，因此在本系統(tǒng)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(tǒng)中，核心模塊作為主機(jī)，各個(gè)采集和控制模塊作為從機(jī)響應(yīng)主機(jī)發(fā)出的命令幀。當(dāng)主機(jī)發(fā)送Ox03功能碼時(shí)，從機(jī)會(huì)把模擬量的值或者狀態(tài)量／頻率量的值返回給主機(jī)。當(dāng)主機(jī)發(fā)送0x16功能碼時(shí)，會(huì)使控制模塊開(kāi)關(guān)量通斷，并且控制模塊會(huì)返回當(dāng)前的狀態(tài)。每個(gè)數(shù)據(jù)采集／控制模塊有4路輸入或輸出通道。因此在每個(gè)采集／控制模塊內(nèi)部定義了4個(gè)寄存器，每個(gè)寄存器占兩個(gè)字節(jié)。采集／控制模塊按字節(jié)接收數(shù)據(jù)，每接收一個(gè)字節(jié)就進(jìn)入一次串口中斷。進(jìn)入串口中斷之后，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。解析數(shù)據(jù)的流程圖如圖5所示。首先判斷地址是否與本機(jī)地址匹配，地址不匹配則放棄本次接受。地址匹配之后再保存功能碼。當(dāng)數(shù)據(jù)幀接收完之后，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，并于接收到的CRC校驗(yàn)碼進(jìn)行比較。若CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤，則放棄本次數(shù)據(jù)。若CRC校驗(yàn)正確，主程序則根據(jù)保存的功能碼，寄存器起始地址以及寄存器個(gè)數(shù)來(lái)響應(yīng)主機(jī)。當(dāng)功能碼為Ox03時(shí)，采集模塊根據(jù)接收到寄存器起始地址及寄存器個(gè)數(shù)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。當(dāng)功能碼為Oxl6時(shí)，控制模塊根據(jù)接收到的寄存器值打開(kāi)或關(guān)閉繼電器，并且將繼電器狀態(tài)返回給主機(jī)。

4 結(jié)束語(yǔ)
    該數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)可以對(duì)模擬信號(hào)、狀態(tài)量以及脈沖量進(jìn)行采集和處理，并且能夠根據(jù)采集的數(shù)據(jù)來(lái)控制繼電器的開(kāi)關(guān)。主機(jī)和模塊之間通過(guò)RS一485總線以標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。因此可以很容易的實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展和與其它廠商的檢測(cè)儀表進(jìn)行集成。該系統(tǒng)采用了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，使系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)明確，提高了實(shí)時(shí)性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)。因此本系統(tǒng)有很好的實(shí)用性，已經(jīng)被我們應(yīng)用到灌溉施肥控制系統(tǒng)中。