（电力电子与电力传动专业论文）基于嵌入式操作系统的机车无线遥控系统.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o c h i pt e c h n i q u ea n do p e r a t i n gs y s t e m t e c h n i q u e ，e m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mb e c o m e sa ni m p o r t a n tp a r to ft h e c o m p u t e rs c i e n c e i th a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , p r o c e s sc o n t r o l ， c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n ds oo i l t l l i st h e s i s b a s e do nt h ec o n t r o ls y s t e mo fw i r e l e s sr e m o t ec o n t r o ls y s t e mu s e di n d i e s e ll o c o m o t i v e , d i s c u s s e ss o m ep r o b l e m so nu s i n gt h ee m b e d d e dr e a l - t i m es y s t e mi n t h ec o n t r o ls y s t e m t h i st h e s i ss h o w st h ep r i n c i p l e so ft h es y s t e m ，a n dd e s i g n st h e p r o g r a mo ft h es y s t e m t h i sp r o g r a mu s e st h er e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mu c o s i ia s t h ec o l em a n a g e m e n ts y s t e ma n dt h es y s t e mh a sb ed i v i d e di n t oan u m b e ro ff u n c t i o n a l t a s k sw h o s ep r i o r i t yh a v e b eg i v e nh a v eb yt h er e a l t i m er e q u i r e m e n t sa n dc o m p l e x i t y t h et r a d i t i o n a lc o n t r o ls o f t w a r ei saf o r e g r o u n d b a c k g r o u n ds y s t e m i td o e s n tm a t c h t h ei n c r e a s i n go ft h ec o m p l e x i t yo ft i mc o n t r o ls y s t e ma n dt h er e q u i r e m e n to ft h e r e a l t i m ea b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y i no r d e rt oe n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o n t r o l s y s t e m , i t sn e c e s s a r yt oc o n s t r u c tt h ec o n t r o ls o f t w a r eb a s e do nt h ee m b e d d e dr e a l - t i m e p l a t f o r m t h i st h e s i so u t l i n e st h ec o n c e p t so ft h ee m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m , a n a l y z e s t h eu c o s i i o p e r a t i n gs y s t e m a n dp o r t si tt ot h em c 9 s 1 2 a 6 4 m i c r o c o n t r o l l e rt oc o n s t r u c tt h ee m b e d d e dr e a l t i m ep l a t f o r m n 嵋s o f t w a r eo ft h e c o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e do i lt h ee m b e d d e dr e a l t i m ep l a t f o r m t h i ss c h e m ep v i d 铬a m e t h o dt or e d u c ot h ed i f f i c u l t yo fd e s i g n i n gt h ec o n t r o ls o f t w a r ea n dt , 置n h a n c ot h e p e r f o r m a n c eo f t h ec o n t r o ls y s t e m w i r e l e s sr e m o t ec o n t r o ls y s t e mr e q u i r e sh i g hr e l i a b i l i t y s y s t e ma d v a n c e st h er e l i a b i l i t y a n ds a f l yb yr e d u n d a n c y , s e l f - s u r v e i l l a n c e , c h o o s i n gr e l i a b i l i t y c o m p o n e n t sa n d a d v a n c i n ga n t i - i n t e r f e r ec a p a b i l i t yi nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e k e y w o r d s ：w i r e l e s sr e m o t ec o n t r o ls y s t e m ；e m b e d d e dr e a l t i m es y s t e m ；u c o s - i i ； l i g h t e l e c t r i cc i r c u m r o t a t es w i t c h ；r e l i a b i l i t y c l a s s n 0 ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论又a 0 全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作粼：雩蔷叩 群醐。节懒叫日 导师签名： 孙似 签字日期：纱，? 年d n z le l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师张维戈副教授和姜久春教授的悉心指导下完成 的，张维戈教授和姜久春教授教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大 的帮助和影响。在此衷心感谢三年来张维戈老师和姜久春老师对我的关心和指导。 张维戈教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在此向张维戈老师表示 衷心的谢意。 姜久春教授和李景新老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意 见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，吴智强、王晓峰、牛利勇、冯韬等同学对我 论文中研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1 课题背景 1 绪论 目前，大量内燃机车应用在许多工矿，钢铁企业中，由于大多数司机室空间 狭小，赢温、震动、油尘、噪声等使司机的工作环境苦不堪言。这种恶劣的工作 环境，不但损害司机的健康，丽且加速疲劳，危及作业安全。工矿，钢铁业是国 民经济的基础产业，安全生产尤为重要。因此，如何改善机车司机的工作环境， 减轻其劳动强度，己成为铁路有关部门和领导关注的鼋点。而且经常需要司机在 驾驶室外工作比如扳道岔等，使司机的效率大大降低。 机车无线遥控系统能有效地把司机从恶劣的气候环境中解脱出来，有利于广 大铁路职工的身心健康，避免安全隐患和人为失误带来的损失；本文提出的机车 无线遥控系统，通过地面遥控装置对机车进行操作，将司机从机车上转移到地面 工作，并使一个司机操作多辆机车成为可能，有效的提高了工作效率，降低劳动 强度。 1 2 国内外现状 对机车的无线遥控的应用在国外已经有比较成功的技术，代表的有t h e i m e g 的t h e c l o 无线系统。国外的遥控设备一般具有以下功能：能实现机车的各个 基本动作，包括前进，后退，三级调速，鸣笛及控制头灯等；还具备一些安全保 护措施；有的甚至能通过遥控器控制道岔。而国内的的机车无线遥控应用却寥寥 无几，为了提高用车单位的工作效率和降低工作人员的劳动强度，无线遥控系统 的配备开始受到各机车厂的重视。国外的产品技术及适用性并不能很好的满足国 内机车的要求，其价格和维护也使应用受到一定阻碍。 1 3 研究内容 本课题的研究目标是开发一整套适合国内现状的基于嵌入式实时系统的内燃 机车无线遥控系统，实现在地面对机车进行操作。由于现场的工况比较恶劣，而 且涉及到生产安全和人身安全，因此，此遥控系统要求具有非常高的可靠性及保 护措施。 本课题的主要研究内容如下： 1 设计整套遥控装置，分两大部分即：发射机和接收机。 2 实现遥控装置的基本功能，可靠的采集操作指令及输出指令信号。 3 保证整套装置安全可靠运行，对系统各部分采取可靠性设计。 4 遥控设备外壳设计，防水，防震动，操作简单，指示直观。 5 嵌入式实时操作系统u c o s i i 的研究和移植。 1 4 本章小结 本章首先介绍了研究背景和意义，结合国内外现状，对研究内容进行了简单 描述。 2 拙塞銮道太堂亟堂焦途塞丕统基奎厘堡 2 1 系统整体方案 2 系统基本原理 无线遥控装置的基本工作流程是利用由地面手持设备模拟机车的各种操作， 通过无线将地面操作指令发送到机车车载无线接收装置，车载装置接收和校验数 据后，形成具体的操作信号输入到机车逻辑控制单元( p l c ) ，最后由p l c 形成机 车控制信号操控机车。通过这套系统可将地面人员手中的模拟操作变成真正的机 车操控信号，达到对内燃机车的地面遥控操作。同时，接收机实时将机车当前状 态反馈给地面手持设备，地面手持设备通过显示屏上的各种指示灯将接收到的机 车状态反应出来，操作人员可通过指示可以了解机车的状态，并可以从手持上反 馈出的信号确保机车响应的之前的遥控指令。为了保证系统的可靠与安全，采取 了一些冗余措施，如：硬件上，接收机的双c p a 和双无线模块设计，手持的光电 旋转开关，电池电量监测，防倾倒电路等；软件上，定时通讯监控，附加检验码 等。图2 - 1 为整体方案的原理图。 多f 一1 曼 棚车执行阳锄确喊腔制 图2 - 1 整体方案原理图 f i 9 2 一lp r i n c i p l ec h a r to fm a c r os c h e m e 2 2 数字调制技术介绍 调制是对信号源的编码信息进行处理，使其变为适合传输的形式的过程。即 扯塞銮通态堂亟堂僮监塞丕统基奎厘堡 是把基带信号( 信源) 转变为一个相对基带频率而言频率非常高的带通信号。带 通信号叫做已调信号，而基带信号叫做调制信号。调制可以通过使高频载波随信 号幅度的变化而改变载波的幅度，相位或者频率来实现。图2 - 2 为三种调制技术 的原理图。 ：避翻 嚣惠 2 尹s 襄 l t u t- 帆砒 肌呲 优肭 图2 - 2 三种调制技术原理图 f i 9 2 2p r i n c i p l ec h a r to ft h r e em o d u l a t et e c h n i c 调频是移动通信系统中最普遍的模拟调制技术，在抗干扰和抗衰落性能方面 优于调幅制。在调频中，由于信号幅度的改变不携带信息，所以，只要接收到的 调频信号在f m 门限以上，突发性噪声对调频系统的影响就没有对调幅系统那么大； 调频系统中可以通过改变调制指数，也就是占用的带宽，来获得更好的信号噪声 性能；调频信号是一种恒包络信号，传送的功率是固定值，可使用c 类功率放大 器；具有捕获效应。 实际应用中，选用f s k 调制技术作信号调制。 2 2 1 无线传输距离 无线传输技术与有线传输的一个非常重要的不同就在于它的传输途径是 整个空间，从而出现由于多径信道传播导致的多径衰落，多径干扰等问题，使r f 功率计算的理想状况和实际有非常大的差异。 根据通信距离公式： 生 r = 2 4 z x l 0 ” ( 式2 - 1 ) 系统中选择频率f o 为2 3 3m h z ，则 = 1 2 8 7 m 。先假设发射功率p t 为2 0 4 毡夏銮垣友堂亟堂焦论塞丕统基奎愿堡 d b m ，发射天线增益g t x _ a n t 与接收天线增益g r x _ a n t 均为一1 0d b 。s 取一1 0 5d b m ， 则 l p = s p t - g t x _ a n t g r x _ a n t = 一1 0 5d b ( 式2 2 ) 计算出r = 1 0 2 4 6 m 。 这是理想状况下的传输距离，实际的应用中会低于该值，这是因为无线通信 要受到各种外界因素的影响，如大气、阻挡物、多径等造成的损耗，将上述损耗 的参考值计入上式中，即可计算出近似通信距离。假定大气、遮挡等造成的损耗 为3 0 d b ，可以计算得出通信距离为：r = 5 7 6 m 。所以，选发射功率2 0 d b m 可以满足 通信距离4 0 0 米的要求。 在实际应用中，我们选用2 5 d b m 的收发模块，确保满足传输距离的要求。 本文方案中一台发射机对应一辆机车，为点对点模式，确保不会出现一台发 射机同时操作两辆机车的危险状况。这就要求无线模块有较宽的频段以实现多个 信道。本系统的无线收发模块的工作频段为2 2 7 0 0 0 m h z 2 3 3 0 0 0 m h z ，此频段比常 用的3 4 0 m l l z 要干净许多。信道间隔最小可软件设置为2 5 l ( h z ，可以实现多信道， 最大容量为2 4 0 个信道，保证完成多组点对点的工作网络。 2 2 2 无线数传模块 根据上述原理，系统选用了捷卖公司的d 2 1 d l 无线数传模块作为信号调制器。 d 2 1 d l 工作在2 2 7 o o m h z 一2 3 3 o o m h z ，无线码速率1 2 0 0 b p s ，f s k 调制方式，信道 间隔可编程设置最小2 5 k h z 。模块的系统电路图如下图所示。 图2 - 3 无线数传模块电路框图 f i 9 2 3c i r c u i tc h a r to fw i r e l e s sm o d u l e d 2 1 d l 有数据收发接口r x d 、t x d ，八个i o 口p b n 及两个控制接口d s r 和d t r 。 5 它们的功能如下表： 表2 - 1d 2 1 d l 接口功能 t a b l e 2 - ii n t e r f a c ef u c t i o no fd 2 1 d l 端口名称作用 p b 8 p b 7 可通过编程设置成输入或输出端子。若为输入端子， p b 6当在此端检测到状态输入端有一个大于i m s 的跳变时，模 p b 5块将根据状态端子的设置发送状态控制信令给接收机。接 p b 4收模块根据状态控制信令中目的地址与模块的身份地址是 p b 3 否满足响应条件，决定是否响应。若为输出端子，在模块 p b 2收到状态控制信令后，根据输出端子的设置决定是否响应， p b l 怎样响应。 r x d上位机将要发送的数据或给模块的命令送至此端 t x d模块将接收到的数据或给上位机的命令送至此端 d t r 当上位机向模块送数据时，d t r 端的功能为指示串口 数据的性质：若串口数据为控制指令此端应置为逻辑“0 ”， 若串口数据为无线发送数据此端应置为逻辑“1 ”。 d s r 当模块向上位机送数据时，d s r 端的功能为指示串口 数据的性质：若串口数据为控制指令此端应置为逻辑“0 ”， 若串口数据为无线发送数据，此端应置为逻辑“1 ”。 用户在使用中不需改变模块参数( 例如：频率、i d 地址等) ，例如：直接连接 某些仪器、仪表等，连接电平为t t l 或r s 一2 3 2 标准。见图2 - 4 图2 - 4 连线方式1 f i 9 2 4m o d e1o fc o n n e c t i o n 用户在使用中需改变模块参数( 例如：频率、i d 地址等) ，并使用串口，连接 6 电平为t t l 或r s 一2 3 2 连接。如图2 - 5 。 图2 - 5 连线方式2 f i 9 2 5m o d e2o fc o n n e c t i o n 可直接使用d 2 1 d m 模块做开关量的输入输出设备，图2 - 6 中通过软件设置可 将p b l - p b 4 设置成输入端口，接开关键、报警器、仪表等驱动电路。p b 5 一p b 8 设置 成输出端口接指示灯、电机控制等执行电路。 图2 - 6 连线方式3 f i 9 2 6m o d e3o fc o n n e c t i o n 当模块收到上位机的数据后，模块先通过d t r 线判断收到的数据是命令还是 发送数据，若是命令则执行相应的命令，若是发送数据则先将要发送的数据送到 发送缓冲区，并同时将模块的状态由接收状态转换成发射状态，这个转换过程小 于l o o m s ，状态转换完成后启动发送打包程序。发送打包程序的功能是将缓冲区的 数据打成适合无线发送的数据包，并将这个数据包的数据送到模块中的数据调制 口以f s k 的调制方式发射出去。 7 在接收状态下，接收机总是接收码流中的同步信息，一旦收到同步信息立刻 进行同步，获得位同步码同步，码同步完成后接收数据。 收发数据延时如图2 7 所示。 嗣 y 蕊囊恕教燕瑰整 溺 xy t t程骶 t h 糍蕊辑器辨缈擒a 孵l r 2 , 雕梦舛舻礅肼t i + t j h 繁礴黪蠖鬃辑释璃一1 3 囊雕 图2 - - 7 收发数据延时 f i 9 2 7d e l a yt i m eo fd i s p a t c hd a t a 每个数传模块坷有一个表示其唯一身份的身份码。身份码长两个字节共十六 位。第一字节表示组码，第二字节表示组内识别码。因此共有6 5 5 3 5 个地址可供 使用。身份码可通过软件设置，设置后的身份码存于模块内的e e r o m 中，掉电后 不丢失，模块上电后进入模块的r a m 中。 数传模块可分别对发射频率和接收频率设置。信道间隔最小可设置为2 5 k h z ， 最多可扩展2 4 0 个信道。 2 3 电池电量 整个遥控装置分为发射机和接收机。接收机安装在内燃机车司机室内，由车 载的1 1 0 v 直流供电。而发射机由于工作时是一个完全独立的装置，由操作人员随 身携带进行操作，它的电源必须由电池提供。由于工种性质决定，在机车处于遥 控模式工作时，发射机必须一直处于工作状态，也就是说发射机上的电池必须能 保证发射机在工作时一直不断电。同时，发射机要由操作人员一直随身携带，因 此在重量和体积方面都受到限制，选择合适的电池，是系统设计初期需要重点考 虑的问题。 首先计算发射机系统的功耗。功耗按功能划分主要来自三个方面。 1 指令发射功耗 当发射机检测到操作人员对发射机进行操作远程遥控机车的动作指令时，会 唤醒无线数传模块将c p u 送来的数字信号调制成f s k 信号发射给接收机。假定取 无线数传模块的发射功率为2 5 d b m ，则它所消耗的平均功率为3 0 0 m w ，又设定数据 拙虚窑垣太堂亟堂位监塞丕统基查厦堡 的传输率为1 2 0 0 b p s ，一次发送指令数据最长时间为l o o m s ，则总的平均功率为 3 0 m w 。又设实际工作中操作人员每3 0 0 秒操作一次发射机，则无线数传模块每3 0 0 秒发射一次指令。按照工厂一辆车一天工作1 4 个小时计算，若要维持发射机1 4 个小时不问断工作，则需能量： ( 1 4 x 3 6 0 0 x 3 0 ) 3 0 0 = 5 0 4 0 m j( 式2 - 3 ) 2 无线查询功耗 为了保证整个遥控系统通讯状态可监测，确保用户生产安全及人员设备安全。 系统方案设计发射机需定时检测无线链路的情况，也即发射机和接收机需定时对 话一次。此功耗与发射功耗一样。设一次对话时间为5 0 m s ，则其消耗的平均功率为 1 5m w 。又设定每1 8 0 s 对话一次，若要维持1 4 个小时，需能量： ( 1 4 x 3 6 0 0 x 1 5 ) 1 8 0 = 4 2 0 0m j( 式2 4 ) 3 控制板功耗 发射机装有一块控制板用来检测操作人员的动作指令并将指令由c p u 解析后 送给无线数传模块。同时还要显示机车的当前状态以及其他一些功能电路。整块 电路板为5 v 供电，总电流大概为3 0 0 m h ，则平均功率大约为1 5 0 0 m w 。若要维持1 4 个小时，大概需要能量 1 4 x1 5 0 0 x3 6 0 0 = 7 5 6 0 0 0 0 0 m j( 式2 5 ) 因此，发射机在一天正常工作下总的消耗能量约为7 5 6 0 9 2 4 0 m j ，若选择1 2 v 电池，则大概需要2 0 0 0 m h h 的容量。三洋1 8 6 5 0 锂电池能满足需要，电池电压 为3 7 v ，容量为2 4 0 0 m h h ，其重量不超过2 0 0 9 。三节串联即可满足设计要求。 2 4 本章小结 本章首先给出了整个遥控系统在内燃机车上的方案原理图，简单介绍了遥控 系统的功能作用。然后简单阐述了无线调制技术，并介绍了系统中使用的无线数 传模块。最后，计算了发射机的平均功耗，用此计算结果作为选择电池的依据。 9 a e 赢銮堕太堂亟堂僮i 金塞扭奎五线遥控丞统缝往递让 3 机车无线遥控系统硬件设计 整个遥控系统可分为两大部分：发射机和接收机。发射机最主要的功能即将 操作人员的远程操作指令通过无线方式正确传送至机车上的接收机。接收机在正 确收到发射机传来的指令后，输出指令开关信号至机车上的逻辑控制器，并将机 车的当前行车状态反馈回发射机，工作人员可通过发射机的显示直接获得机车的 当前状况。 3 1 发射机硬件 发射机主要包括按键( 档位) 检测，无线数传模块，显示，电源以及其他功 能模块。其硬件框图如图3 - 1 所示。 3 1 1单片机 图3 - 1 发射机硬件框图 f i 9 3 1h a r d w a r ec h a r to ft r a n s m i t t e r 单片机( c p u ) 选用m o t o r o l a 推出的h c s1 2 系列1 6 位m c u 一9 s 1 2 a 6 4 ，内部 除中央处理单元c p u1 2 外，支持背景调试模式和大容量存贮器扩展，内部不仅集 成f l a s h ，e e p r o m 及r a m 存贮器，而且还集成c a n ，b d l c ，s c i ，s p i 。h s i o 等多 种接口，功能丰富，速度高、功耗低、性价比高、系统设计简单。f l a s h 存贮器具 1 0 a 夏至通丕堂亟堂焦i 金塞扭生玉线逢控丕统塑性超让 有快速编程能力、灵活的保护与安全机制，而且擦除和写入无需外部加高电压。 因此选用作为发射机的核心芯片。 3 1 2d o d o 变换器 发射机机要求连续工作时间长达1 4 个小时，选用的供电电源为三节 3 7 v 2 4 0 0 m a i 的三洋1 8 6 5 0 锂电池串联，电压为1 2 5 v 左右。而整个控制板的正 常工作电压等级为5 v ，因此，必须先将电池电压变换为需要的5 v 。 发射机上的d c d c 变换器采用的是b u c k 电路拓扑结构，选用了姒x i m 公司的 m a x l 6 4 9 作为脉冲发生控制器，i r f 7 4 1 6 作为开关管。 m a x l 6 4 9 为输出电压5 v 或可调，高效率，低压差，降压型d c d c 控制器。输 出负载电流范围可从l m a 到2 5 a 以上。独特的电流限制p f m 控制使器件在负载很 大时比p w m 控制器具有更高的效率。3 0 0 k h z 的开关频率允许使用片外元件。m a x l 6 4 9 允许输入电压达1 6 v 。输出电压预设在5 v ，也可通过改变两个电阻值使输出电压 范围从1 5 v 到输入电压可调。降压控制器驱动外部p 沟道m o s f e t ，输出负载可 达1 2 5 w 。图3 2 为m a x l 6 4 9 的电路图。在电池的输入端串迸一二极管防止正负级 反接。f l 为可恢复保险管。 3 1 3 指令采集 图3 - 2 饭| 月m a x l 6 4 9 的b u c k 电路 f i 9 3 - 2b u c kc i r c u i to fu s i n g1 0 k x l 6 4 9 为了配合应用场合及工作人员的操作习惯，遥控器上采用和机车驾驶台上一 样的旋转多路开关，而不是一般的按钮。普通机械式的旋转开关由于频繁的物理 接触摩擦使接触面磨损容易损坏，寿命不长。发射机系统设计了一种新型的光电 旋转开关，不但能很好的保证可靠性，还可以大大提高开关的使用寿命。 韭廛銮道鑫堂硬堂焦i 盆塞扭奎五线堡蕉丕缝塑往遮进 接收管a发射管接收管b i i 图3 - 3 光电旋转开关示意图 f i 9 3 。3s k e t c hm a po fl i g h t 。e l e c t r i cr o t a r ys w i t c h 整个开关电气部分由一个红外发射管和多个红外接收管以及折射棱镜组成。 接收管均匀环成一圆形排放，与旋转开关转动量对应，发射管的位置与接收管在 同一水平面。光的通路通过一面小棱镜来实现。小棱镜固定在能随开关一起旋转 的机械支柱上，当旋转开关时，棱镜通过两次全反射将发射管的红外光传导到对 应位置的接收管。c p u 通过检测各接收管的导通状态即可获得相应的开关位置。如 图3 所示：发射管发出的光通过棱镜反射到接收管a 。旋转棱镜，使之对应管b 位 置，则接收管b 选通。图3 3 中两管之间的黑线为遮光板。 由于此设备内有较大功率的无线设备，普通的红外管对电磁辐射很敏感，容 易造成误触发，经过试验，采用调制型红外接收和发送管有很好的效果。同时各 接收管的输出信号接入c p u 的a d 口，可以通过软件修改电平变化的阀值，如果 出现红外接收管接收到光信号强度不够，接收管未完全导通而使输出电平低于数 字逻辑电平的阀值的情况同样能被单片机识别，具有较高的鲁棒性。 上述的整个部分固定在旋转多路开关的底座上。底座的旋转部件由两根弹簧 及钢珠定位及产生扭力，具有很好的手感。这样，把电气部分和机械部分完全分 开，不但保证电气可靠性，提高使用寿命；同时又能充分利用完善机械结构，增 强定位精度及手感。 在工业控制过程中，被测参数一般分为模拟量和开关量。通常将连续变化的 量称为模拟量，如温度、压力、流量、电压和电流等。由于计算机只能处理数字 量，因此对于模拟量需要经过采集，放大，采样保持，a d 转换等步骤，将模拟量 转换成数字量，才能送入计算机进行运算、分析和处理。经过计算机处理后数据 常常需要转换成模拟量，控制执行机构的执行。上述转换过程需要用模拟量输入 1 2 j e 基窑塑盔堂亟堂僮途塞狃王五缮显撞丕统缝往退让 输出通道来实现。在被测参数中，还有一种量称为开关量，如继电器的合上与断 开，按钮的按下与松开等。开关量的输入输出较模拟量简单，计算机只需判断输 入信息是“0 ”还是“l ”，即可知道开关状态；同样，若控制某个继电器工作，只 需经过输出通道送“0 ”或是“1 ”即可。但实际上工业现场存在着电、磁、震动、 温度变化等干扰，各类执行器要求的开关电压、功率也不同，因此同样需要设置 输入输出通道进行信息的缓冲、隔离、驱动等措施。 当被控对象的参数为模拟量时，由传感器和检测电路采集到的信号经转换后 仍是模拟量，而且信号的输出比较小，不能直接送入计算机进行处理。所以在被 控对象和计算机之间必须设置信息调理和转换的模拟量通道，进行信号放大，滤 波、a d 转换等工作。 工 叫至丑 多 业 路 对 开 象 关 至丑 图3 - 4 多模拟量送入通道原理图 f i 9 3 - 4d i a g r a mo fm u l t i a n a l o g yc h a n n e l s 图3 4 表示一个多模拟量输入通道的原理图。由图可知，模拟量输入通道一 般由信号、调理装置、多路开关、采样保持和a d 转换组成，它的任务是将传感 器检测到的模拟信号，转换为计算机需要的数字信号。 在本遥控发射系统中，由光电旋转开关产生的信号为开关信号。但考虑到红 外调制管受光电传导率影响开关阀值，即可能在状态“1 ”时低于t t l 电平逻辑“1 ” 时需要的电平，因此，设计中选择使用a d 采样来精确识别输入信号。9 s 1 2 a 6 4 自 带1 6 路1 2 位a d 通道，能满足设计需要。 3 1 4剩余电量监测 由于发射机采用电池供电，并且连续工作时间较长。在电池电量低的状态下， 发射机可能无法正常工作，导致不发误发指令或者不能接收反馈，很可能严重影 响正常作业及安全。因此，准确的检测电池剩余电量，及时通知操作人员更换电 池非常重要。 在本系统中，剩余电量的计算由两部分计算得到：初始剩余电量估算及正常 j e 夏窑煎太堂亟堂僮途塞扭奎玉线遥控丕统理鲑遮让 工作时的放电量。 1 初始剩余电量估算： 在测量剩余电量时，由于无法保证系统上电后电池电量完全充满，所以，必 须对其中的电量进行预估计。初始剩余电量的估算，其方法为上电后对电池电压 进行测量，在对比电池的放电曲线计算出当前电池里的剩余电量。 2 放电量测量： 初始电量估算后，不再通过电压值来对剩余电量进行估算，而改用对实际电 流积分来监测实际的放电量，提高了测量的准确度。 系统选用d s 2 4 3 8 作为检测电量的芯片。d s 2 4 3 8 芯片是d a l l a s 公司推出的新 一代智能电池监测芯片，具有功能强大、体积小、硬件接线简单等优点。仅有一 根双向数据线，故单片机仅需一个端口与之连接；内含数字温度传感器( 免去在电 池块内设装热敏电阻) ；片内模数转换器可进行电池电压监测，从而可判定充电和 放电的结束；片内的积分电流累加器可实时记录电池流入、流出电流的总量，便 于统计电量；内含二进制格式的消逝时间表；内含4 0 字节可用于存放电池特殊参 数的掉电保护的用户访问存储器。其芯片硬件连接图如图3 5 所示。 十 - ， 图3 - 5d s 2 4 3 8 硬件连接图 f i 9 3 5h a r d w a r ec i r c u i to fd s 2 4 3 8 d s 2 4 3 8 对电池剩余电量的测量是借助其内部的电流积分累加器( i c a ) 实现的。 i c a 存放的是流入、流出电池总电流的净累加值，因此，存储在这个寄存器内的值 可用于计算电池的剩余电量。 3 1 5 初始化数据存储 数据记录电路存贮用户的设置参数( 如司机号) 、收发模块的信号频率，因此 必须具有工作电源掉电后数据依然能够保存的特点。选用m i c r o c h i p 公司的e 2 p r o m 存贮芯片- - 9 3 l c 6 6 ，其读写次数可以高达1 0 0 万次，与单片机的接口采用工业标 准3 线串行接口，电源电压低至2 5 v 依然可以正常工作，先进的c m o s 技术适合 j e 塞变通鑫堂殛堂焦j 金塞担兰玉线量撞丕蕴缝住遮让 于低功耗要求的场合，工业级产品工作温度范围- - 4 5 + 8 5 ，满足汽车电器 的要求。 为防止系统上电时和操作过程中对9 3 c 6 6 单元的误写入，芯片采用可控供电 方式。如图3 6 所示，芯片的供电电源v c c 6 6 不直接连接v c c ，而通过一个三极管 控制。当控制端v 6 6 为低时，三极管导通，芯片得电；当控制端v 6 6 为高时，三 极管截止，芯片失电。系统上电后，v 6 6 默认为高，三极管不导通，芯片失电，不 会造成对芯片的误写入。当需要对芯片进行操作时，首先通过三极管对芯片上电， 然后再对芯片进行相应的操作。 w cc f o o 3 1 6防倾倒电路 图3 - 69 3 1 c 6 6 电路图 f i 9 3 6c i r c u i to f9 3 1 c 6 6 为了避免作业中操作人员意外晕倒或其他情况发生时遥控器无人操作，操作 遥控要求操作者必须处于垂直位置，发射机有一个角度传感器，通过传感器反馈 的信号，c p u 能判断收发机是否处于垂直位置。传感器的信号为开关量，为常闭开 关。当传感器的角度大于设定时，开关断开。c p u 监测角度传感器，若倾斜超过一 定时间，发射机将报警并发出相应的无线信号通知接收机，此时发射机状态不正 常，接收机收到后即做出相应动作。 3 2 接收机硬件 接收机将发射机传输过来的无线指令正确接收，经过校验后将指令通过开关 的形式送给车载p l c ，完成指令的传输并将机车的当前状态通过无线方式回馈给发 射机。图3 7 为接收机硬件框图。 接收机由机车上的i i o v 直流电源供电，通过一个d c d c 变换器输出c p u 需要 j e 基銮塑盔望亟堂焦i 金塞扭奎玉线遥控丕统焦鲑遮让 的5 v 电压。为了保证指令的真实正确，接收机设计了两块无线收发模块，通过冗 余增加了系统的可靠性。当无线收发模块a ，b 接收到无线指令后，c p u 将两组指 令读出并进行逻辑比较，正确后输出控制信号驱动继电器。同时，c p u 还检测继电 器状态，并把继电器当前的状态回馈给手持机，并且将数据传递给预留的4 8 5 模 块及送入显示。 图3 - 7 接收机硬件框图 f i 9 3 7h a r d w a r ec h a r to fr e c e i v e r 3 2 1直流变换器设计 机车上的供电电源为l l o v 直流，而收发系统的工作电压为5 v 。因此，必须将 电源变换后才能使用。在车载收发机中，采用带隔离的l l o v 直流变5 v 直流变换 模块。 3 2 2 开关量设计 无源开关量由继电器提供。继电器选用线圈电压为直流5 v ，耐压达1 l o v 直流 的欧姆龙双触点继电器。实际加在继电器上的电压为直流2 4 v ，选择1 l o v 直流， 方便以后扩展。 1 6 3 2 3r s 4 8 5 接口设计 r s 4 8 5 总线，具有高噪声抑制、宽共模范围、长传输距离、冲突保护等特性。 为了以后扩展方便，系统预留两个相对应两个收发模块的r s 4 8 5 接口。 r s 4 8 5 采用平衡发送和差分接收方式来实现通信：在发送端t x d 将串行口的 1 v r l 电平信号转换成差分信号凡b 两路输出，经传输后在接收端将差分信号还原 成t t l 电平信号。两条传输线通常使用双绞线，又是差分传输，因此有极强的抗 共模干扰的能力，接收灵敏度也相当高。同时，最大传输速率和最大传输距离也 大大提高。如果以i o kb p s 速率传输数据时传输距离可达1 2m ，而i o o k t ) p s 时传 输距离可达1 2 k1 1 。如果降低波特率，传输距离还可进一步提高。 3 3 本章小结 本章详细介绍了无线遥控系统发射机和接收机的硬件结构，实现了遥控器硬 件设计要求。对各主要电路进行了较为详细的说明，对于比较特殊的指令输入部 件即光电旋转开关做了重点介绍。 4 实时操作系统 前章已经对机车无线遥控系统的原理和硬件系统作了详细的介绍。从中可以 看出发射机既要实时检测各种指令，及时将指令通过无线形式发送出去，并接收 由机车上的接收机返回的数据；又要监测发射机的各种状态，包括电量，角度等， 还有显示任务。任务较多、代码量大。如果还是采用以往前后台的编程方式，分 配各任务较为烦琐，开发起来难度和工作量较大，也不便于以后的维护和再开发。 并且，随着工业控制的发展，各类控制对时间的要求越来越严格，使用以前的前 后台程序结构已经略显吃力。而使用嵌入式实时多任务操作系统能有效的解决上 述问题，它也是未来控制系统的必然发展趋势。 4 1 嵌入式实时系统简介 编写嵌入式应用程序的传统方法是采用前后台系统结构，这种结构中没有使 用操作系统，整个应用程序就是一个大的循环程序，在循环中调用函数完成相应 的操作，这部分称为后台行为( b a c k g r o u n d ) ，利用中断服务程序( i s r ) 来处理 异步事件，这部分称为前台行为( f o r e g r o u n d ) 。前后台系统中后台行为的响应 时间是与整个循环的执行时间有关的，对于某一个特定部分的准确时间是不能确 定的，所以它不能保证实时性。为了保证系统的实时性，嵌入式系统一般采用一 个实时操作系统内核。 随着计算机技术的不断发展，实时计算正成为越来越重要的原则。实时计算 可以定义成这样的一类计算：即系统的正确性不仅取决于计算的逻辑结果，而且 还依赖于产生结果的时间。在实时系统中，某些任务是实时任务，这类任务试图 控制外部世界发生的事件，或者对外部事件做出反应。由于外部事件是“实时” 发生的，因而实时任务必须能够跟得上它所关心的事件。通常给一个特定的任务 制定一个最后期限( t i m e l y ) ，最后期限指定任务开始响应外部事件时间或任务 结束的时间。根据实时任务对最后期限的满足情况，可以将实时任务分为硬实时 任务( b a r dr e a l t i m et a s k ) 和软实时任务( s o f tr e a l t i m et a s k ) 。硬实时 任务要求任务必须满足最后期限的要求，但并不是强制性的，即使超出了最后期 限，调度和完成这个任务仍然是有意义的。 实时操作系统( r t o s ) 使系统的实时性得以保证，使系统更加稳定可靠。同 时提高了开发效率、缩短开发周期、使程序更便于修改与维护。一个复杂的应用 程序，可以分解成多个任务。每个任务模块的调试、修改几乎不影响其它模块。 韭塞奎亟太堂亟堂焦逾塞塞盟搓佳丕红 过去若干年来，商用r t o s 软件价格很贵，有的还要对开发出来的产品按件收 费。且很多商用r t o s 都不提供源代码，即所谓黑盒子。这在一定程度上限制了r t o s 的使用与推广。目前，网上由很多免费的r t o s 资源，如实时l i n u x ，即r t l i n u x 。 但这个r t o s 占用很大的存储空间，典型地，要5 1 2 k b 的r a m 。不大可能运行在单片 方式下工作的单片机系统中。而使用u c o s i i 是不错的选择。 4 2u c o $ - i | 特点 u c o s i i 读做“m i r c oc0s2 ”，意为“微控制器操作系统版本2 ”，内核是 由j e a n j l a b r o s s e 先生写的。它具有以下一些特点： 公开源代码 它的源代码公开，可以从官方网站w w w u c o s - i i c o m 上获取全部源码以及在各 种体系结构上的移植范例。通过和其它源码公开的商业实时内核相比较，u c 0 s i i 的源码清晰易读、结构协调，注释详尽有序，这也是u c o s - i i 能成功的得到广泛 应用的一个原因。 可移植性( p o r t a b le ) 绝大部分u c o s i i 的源码是用移植性很强的a n s ic 写的。和微处理器硬件相 关的那部分是用汇编语言写的。汇编语言写的部分己经压到最低限度，使得 u c 0 s i i 便于移植到其他微处理器上。条件是，只要该微处理器有堆栈指针，有 c p u 内部寄存器入栈、出栈指令。另外，使用的c 编译器必须支持内嵌汇编或者该c 语言可扩展、可连接汇编模块，使得关中断、开中断能在c 语言程序中实现。 u c 0 s i i 可以在绝大多数8 位、1 6 位、3 2 位以至6 4 位微处理器、微控制器、数字信 号处理器( d s p ) 上运行。 可固化( r o m a b i e ) u c 0 s i i 是为嵌入式应用而设计的，这就意味着，只要有固化手段( c 编译、 连接、下载和固化) ，u c o s - 1 i 可以嵌入到产品中成为产品的一部分。 可裁剪( s c a l a b i e ) 可以只使用u c o s i i 中应用程序需要的那些系统服务。也就是说