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