基于MCF51AC128与FreeRTOS的远程电梯监测系统设计.pdf

收稿日期:基金项目:安徽省高校自然科学研究重点项目(K J A );校级重点科研项目(X Z R A ,X Z R A )作者简介:董昀(),女,汉族,安徽合肥人,安徽文达信息工程学院讲师,硕士,主要从事电子与通信工程方向研究,E m a i l:q q c o m第 卷 第期 长 春 工 业 大 学 学 报 V o l N o 年 月 J o u r n a l o fC h a n g c h u nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y A p r D O I:/j c n k i c n /t 基于MC F A C 与F r e e R TO S的远程电梯监测系统设计董昀,王琼佩,王晓侠(安徽文达信息工程学院 电子电气工程学院,安徽 合肥 )摘要:论述了一种基于f r e e s c a l e公司MC F A C 微控制器电梯监测系统的设计,系统以F r e e R TO S和开源F a t F S为平台,采用G P R S和C AN总线技术实现远程监测,具有成本低、稳定可靠和易于使用的优点.关键词:电梯监测;MC F A C 微控制器;F r e e R TO S中图分类号:T P 文献标志码:A文章编号:()D e s i g no f r e m o t ee l e v a t o rm o n i t o r s y s t e mb a s e do nM C F A C a n dF r e e R T O SD ON GY u n,WAN GQ i o n g p e i,WANGX i a o x i a(S c h o o l o fE l e c t r o n i c&T e c h n o l o g y,A n h u iW o n d e rU n i v e r s i t yo f I n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g,H e f e i ,C h i n a)A b s t r a c t:T h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no fe l e v a t o rm o n i t o rs y s t e m,w h i c hi sb a s e do nf r e e s c a l ec o r p o r a t i o nMC F A C m i c r o c o n t r o l l e r W ea d o p tF r e e R TO Sa n do p e ns o u r c eF a t F Sd e v e l o p e db yc h a na ss o f t w a r ep l a t f o r m,i m p l e m e n t r e m o t e e l e v a t o rm o n i t o ru s i n gG P R Sa n dC ANb u s t e c h n o l o g y,a n dp r o v i d eac o s t e f f e c t i v e,s t a b l e,e a s yt ou s es y s t e mK e yw o r d s:e l e v a t o rm o n i t o r;MC F A C m i c r o c o n t r o l l e r;F r e e R TO S引言随着社会发展,电梯的安全问题受到越来越多的重视,虽然各电梯企业都拥有自己的监控系统,但这些系统仅针对各自品牌开发,互不兼容.这类系统在实际应用中,由于使用不便,基本处于闲置状态.文中介绍了一种基于f r e e s c a l e公司c o l d f i r e微控制器和f r e e r t o s实时操作系统的远程电梯监测系统设计,相对于传统的基于P L C的方案具有成本低廉、性价比高的优点.系统采用光电隔离技术采集传感器输入信号,通过对传感器信号的分析,准确掌握电梯运行状态,并进行实时记录.当电梯运行出现异常故障时,系统通过G P R S实现远程报警和监测,并可结合C AN总线实现有线方式的远程监测.完整系统由上位机管理软件和电梯监测设备组成,文中重点阐述电梯监测设备的设计.系统框架电梯监控系统整体框架如图所示.图电梯监控系统整体框架采用清晰定义的分层结构,从底到上分别由硬件层、系统软件层和应用软件层组成.硬件层对应具体的电路实现,基于f r e e s c a l e业界领先的c o l d f i r e微控 制器MC F A C ,集 成G P R S无线通信、MP 播放、S D卡存储、C AN、R S 和传感器信号检测等模块.系统软件层为应用软件提供易用的接口,以屏蔽底层硬件的细节,方便应用软件的开发.系统软件层由F r e e R TO S操作系统、驱动程序、F AT F S文件系统和辅助库组成;包含每个具体硬件模块的驱动程序和用于管理S D卡的F AT F S文件系统;此外还包含了精简的标准C库,提供字符串操作、内存分配等必要函数.硬件设计系统采用具有 MH z主频的M C F A C 微控制器,通过集成的两个S P I控制器分别扩展一个S D卡和V S MP 解码芯片,实现对运行数据及MP 文件大容量存储和MP 解码播放.采用IC连接P C F 实时时钟记录系统时间,此外系统扩展一片IC接口的AT C 存储器用于保存系统关键配置数据,如G P R S模块的I P地址、网关地址.MC F A C 的两个UA R T模块,一个用于与G P R S模块通信,另一个采用s i p e x公 司s p 实现了一路R S 接口,用户可以通过它连接P C对系统的相关参数进行配置,比如更改报警电话号码、设置设备地址等.利用G P I O实现传感器开关量信号的检测.系统硬件框图如图所示.图系统硬件框图MC U选择本系统对可靠性和稳定性有较高要求,需要支持文件系统,软件系统较复杂,需要大容量的程序存储器和S R AM.鉴于成本性能和可靠性的综合考虑,我们采用f r e e s c a l e公司MC F A C C o l d f i r e微控制器.MC F A C 基于 位变长指令集的R I S C架构;片内集成 K BF l a s h和 K BS R AM,一个C AN控制器,两个UA R T控制器、两个S P I、一个IC、路快速G P I O、路A D C和 看 门 狗 定 时 器;可 以 提 供 高 达 MH z的主频,面向工业应用设计,具有卓越的可靠性和很高的性价比.F r e e s c a l e公司提供了第期董昀,等:基于MC F A C 与F r e e R T O S的远程电梯监测系统设计完善的集成开发环境c o d e w a r r i o r,包括编译器、调试器和代码编辑工具等.电源电路电源直接影响整个系统的可靠性和稳定性,由于外部的输入电源Ve x t电压范围很大(V),电源质量不高,而系 统硬件需要 V的多种供电电压.我们采用LM D C D C开关电源芯片产生V(V C C)电压为MP 模 块 的 音 频 功 放 电 路 供 电.考 虑 到MC F A C 与G P R S模块的电平匹配,系统将LM 产生的V电压经LM L D O产生稳 定 的 V为 系 统 中 的 主 要 芯 片 供 电.G P R S模块需要V的供电,且在收发数据的峰值电流高达A,系统采用S i p e x公司的S P X L D O直接从Ve x t产生V电压单独给G P R S模块供电.此外,V S 解码芯片需要的V供电由LM 从V C C 直接产生.开关量输入电路系统提供了 路开关量输入,为提高系统的稳定性和抗干扰能力,采用T L P 光耦对外部输入信号进行隔离.路开关量输入可用于检测平层、安全回路、门锁等多种状态信号,系统采用热释电人体红外传感器检测轿厢内是否有人员活动.通过对这些传感器信号的检测分析,可以对电梯当前运行状态进行准确跟踪记录.一路开关量输入电路原理如图所示.图系统硬件框图G P R S模块本设计采用V S 解码芯片实现MP 文件的解码播放,MC F A C 通 过G P I O选通V S 输出至音频功放,最终由安装在电梯轿厢内的扬声器播放.当电梯出现故障时,系统会自动播放预先存放在S D卡内的MP 音频文件,安抚受困人员.MP 解码电路如图所示.图MP 解码电路长 春 工 业 大 学 学 报 第 卷MP 模块系统采用西门子MC iG P R S模块实现与小区物业或其他管理部门的远程无线通信.管理人员可以通过G P R S远程查询电梯运行状态,在出现故障的情况下,系统会通过G P R S自动发送报警信息给管理人员,管理人员也可主动拨打电话与电梯内受困人员进行沟通,同样受困人员也可以利用轿厢内的紧急呼叫按钮呼叫管理中心电话,并通过安装于轿厢内的麦克风与管理人员通话请求救助.C A N总线接口本系统提供了隔离的C AN总线接口,管理部门可以通过C AN总线连接多个监测设备,配合上位机管理软件通过C AN总线远程监测电梯运行状态,与G P R S模块类似,当监测到电梯运行异常时,系统会自动通过C AN总线发送报警信息;而管理人员也可以随时查询电梯当前的运行状态.C AN总线接口电路如图所示.图C AN总线接口电路采用T I公司推出的首款单芯片隔离式控制器区 域 网 络(C AN)收 发 器I S O ,具 备 V的隔离电压,符合I S O 规范,最高支持M b i t/s的通信速率,大大简化了传统基于光耦的C AN总线隔离设计方案.系统采用P T C电阻HR 对C AN总线进行过流保护,采用安森美公司的NU P 双向T V S进行过压保护.此外,为提供隔离的供电,系统采用周立功公司Z Y B S W型 微 功 率 隔 离 电 源 模 块 从LM 输出的V电源产生隔离的V电压为I S O 供电.软件设计系统软件主要分成两层:系统软件层和应用软 件 层.系 统 软 件 层 主 要 包 括F r e e R TO S、F AT F S文件系统、精简C标准库以及硬件各模块驱动程序组成.应用软件层基于系统软件层提供的服务,完成电梯监控系统具体功能.系统软件设计F r e e R TO S是一个轻量级的实时内核,支持基 于 优 先 级 的 调 度 和 基 于 时 间 片 的r o u n d r o b i n调度,支持抢占式内核和协作式内核;相对于国内流行的C/O S ,具有完全免费开源的优势,系统实时性与C/O S 相当,但耗用资源更少.本 系 统 在MC F A C 上 移 植 了F r e e R TO S,使用MC F A C 片上定时器产生操作系统 时钟节拍(t i c k),本 系 统 时 钟 节 拍 为 m s.为实现S D卡的管理,本系统移植了c h a N的开源F a t f s文件系统,该开源实现支持F AT /F AT /F AT ,支持长文件名是一款优秀成熟的开源F AT F S.在本系统中S D卡工作于S P I模式,开源F AT F S的移植依赖于MC F A C S P I驱动,实现了S D卡底层操作接口,具体来说,即实现d i s k_i n i t i a l i z e、d i s k_s t a t u s、d i s k_r e a d、d i s k_w r i t e和d i s k_i o c t l函数,此外,在P C F R T C驱动基础上实现F AT F S必需的g e t_f a t t i m e函数.此外,为 减 少 代 码 尺 寸,本 系 统 没 有 使 用f r e e s c a l ec o d e w a r r i o r开发工具自带的标准C库,第期董昀,等:基于MC F A C 与F r e e R T O S的远程电梯监测系统设计而是实现了一个精简的C库,只提供本系统需要的C标准库函数,大大减少了最终目标代码的尺寸.应用软件设计应用软件依赖于系统软件提供的服务实现客户需求的功能.系统上电复位后,主函数进行系统初始化,然后创建个F r e e R TO S任务,启动F r e e R TO S调度器,此后F r e e R TO S基于优先级调度各任务完成相应功能.任务s e n s o r_t a s k每 m s查询一次传感器输入信号,并进行分析.如果发现电梯运行异常,则通过消息队列唤醒w a r n_t a s k报警;如果检测到电梯异常时轿厢内有人员存在,则唤醒m p _t a s k播放安抚音乐;如果检测到轿厢内紧急呼叫按钮被按下,s e n s o r_t a s k判断当前电梯状态是否正常,如果不正常,则自动呼叫管理中心电话;此外,该任务还定期存储电梯运行状态到S D卡.w a r n_t a s k负 责 在 电 梯 发 生 异 常 时 通 过G P R S和C AN发出报警信号;在电梯正常运行时,该任务处于挂起状态.g p r s_t a s k负责监听G P R S线路上的输入数据,当接收到数据时,该任务由MC F A C 的UA R T中断服务程序唤醒,处理上位机发送的查询电梯当前状态、电话呼叫等命令.当接收到管理中心的电话呼叫时,g p r s_t a s k挂起m p _t a s k,将g p r s音频输出切换至音频功放电路,接通电话开始与轿厢内人员进行通话.c a n_t a s k与g p r s_t a s k类 似,它 负 责 监 听C AN总线上的数据,当接收到上位机发来的命令时,该任务被唤醒,并进行相关处理.m p _t a s k负责播放预存在S D卡内的音频文件,在发生人员被困故障时,s e n s o r_t a s k唤醒m p _t a s k播放音乐安抚被困人员.r s _t a s k实现用户通过R s 对系统进行配置.该任务平时处于挂起状态,一旦接收到数据,UA R T中断服务程序唤醒该任务,处理P C机的配置命令.结语电梯监测系统提高了电梯运行的安全性,当发生故障时可以及时报警,保障了用户的人身安全.文中介绍一种基于MC F A C 微控制器和F r e e R TO S的系统设计,该系统采用G P R S和C AN总线实现远程监测,系统设计充分考虑了抗干扰和可靠性的要求,现已在现场试用半年,运行稳定,用户评价良好.参考文献:陈奕梅,尤一鸣F r e e s c a l eF l e x i s系列微控制器入门及开发M北京:电子工业出版社,贺更新,张宁,刘立超单通道系统中无线信息与能量同时传输的新策略J长春工业大学学报,():冀刚C AN总线通信技术在电梯监控系统中的应用J电子技术与软件工程,():陈飞,樊卫华,张永举,等基于S TM 的电梯运行性能分析仪的设计与实现J电子设计工程,():叶烁,梁国威,屈福康基于F r e e R T O S与远程姿态控制的机械 手 控 制 系 统 设 计J装 备 制 造 技 术,():刘德铁基于S TM F Z E T 智能梯控系统的设计与实现D广州:华南理工大学,谢一麟人工智能背景下电梯监控系统改进研究J智能城市,():郑双发基于智能楼宇中电梯监控系统的设计及对应研究J信息通信,():唐道鲜,侯美伊,李庆宇,等基于F r e e R T O S的实验设备柜控制器研究与设计J软件导刊,():长 春 工 业 大 学 学 报 第 卷