【文章內(nèi)容簡介】 化系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)更多的功能，人機(jī)界面的輸入部分采用了PC機(jī)的鍵盤。6. 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建在瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)中，由于井下節(jié)點(diǎn)眾多、數(shù)據(jù)傳輸距離比較遠(yuǎn)且井下的干擾因素多且復(fù)雜。針對(duì)礦井下特殊的情況，需要一種穩(wěn)定性高、傳輸距離遠(yuǎn)且有較高傳輸數(shù)率的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。 CANbus總線架構(gòu)CAN（Controller Area Network）總線最早由德國BOSCH公司提出，主要用于汽車內(nèi)部測(cè)量與控制中心之間的數(shù)據(jù)通信。由于其良好的性能，在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域當(dāng)中，如工業(yè)自動(dòng)化、汽車電子、樓宇建筑、電梯網(wǎng)絡(luò)、電力通訊和安防消防等諸多領(lǐng)域，并取逐漸成為這些行業(yè)的主要通訊手段。CANbus用于煤礦通訊系統(tǒng)當(dāng)中，不僅可以增強(qiáng)系統(tǒng)的通訊可靠性、延長系統(tǒng)的距離、擴(kuò)充系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)，還能增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，讓管理者和主控設(shè)備能及時(shí)了解和處理當(dāng)前的井下情況，發(fā)覺事故隱患，避免事故發(fā)生。對(duì)于煤礦系統(tǒng)的本安要求，只需總線要CANbus設(shè)備的電源符合本安要求即可?，F(xiàn)場總線CANbus本身是符合本質(zhì)安全要求的。與通常應(yīng)用的RS485方式相比，現(xiàn)場總線CANbus具有更多方面的優(yōu)勢(shì)，可以完全取代RS485網(wǎng)絡(luò)，從而組建一個(gè)具有高可靠性、遠(yuǎn)距離、多節(jié)點(diǎn)、多主方式的設(shè)備通訊網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，現(xiàn)場總線CANbus可以直接采用RS485方式相同的傳輸電纜、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。： CANbus總線與RS485通信方式比較特性RS485方式CANbus總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直線拓?fù)渲本€拓?fù)鋫鬏斀橘|(zhì)雙絞線雙絞線硬件成本很低每個(gè)節(jié)點(diǎn)成本有所增加總線利用率低高網(wǎng)絡(luò)特性單主結(jié)構(gòu)多主結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸率低最高可達(dá)1Mbps 容錯(cuò)機(jī)制無由硬件完成錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制通訊失敗率很高極低節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤影響故障節(jié)點(diǎn)有可能導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓故障節(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)無影響通訊距離 可達(dá)10Km（5Kbps）后期維護(hù)成本較高很低通常由于煤礦系統(tǒng)要求比較完整和智能化，所以方案的完整性和可擴(kuò)展性也是必須考慮的。使用CANbus網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以非常方便的進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展。： 煤礦CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)CAN總線上的器件結(jié)構(gòu)主要有CAN控制器和CAN收發(fā)器。CAN控制器可以分為三類：(1) 獨(dú)立CAN控制器；(2) 集成CAN控制器的8位8xC51芯片；(3) 集成CAN控制器的32位ARM7芯片。本次設(shè)計(jì)中采用的M9020FUN20I核心板板載的LPC2290屬于集成CAN控制器的32位ARM7芯片。整個(gè)核心板的CAN接口結(jié)構(gòu)如Error! Reference source not ：圖 核心板CAN接口CAN收發(fā)器連接CAN控制器和CAN物理總線。本次核心板使用的CAN收發(fā)器是PCA82C251，它是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口。它主要在卡車和公共汽車中速度達(dá)1Mbps的應(yīng)用中使用。這個(gè)器件向總線提供了差動(dòng)的發(fā)送能力，向CAN控制器提供了差動(dòng)的接收能力。該器件的特性有：(1) 完全符合“ISO 1189824 V”標(biāo)準(zhǔn)；(2) 在24V系統(tǒng)中防止電池對(duì)地的短路；(3) 斜率控制以降低射頻干擾(RFI)；(4) 差動(dòng)接收器具有寬共模范圍，有很強(qiáng)的抗電磁干擾(EMI)的能力；(5) 熱保護(hù)；(6) 高速(可達(dá)1Mbaud)；(7) 低電流待機(jī)模式；(8) 不上電的節(jié)電不會(huì)影響總線線路；(9) 至少可掛110個(gè)節(jié)點(diǎn)。核心控制系統(tǒng)中采用了芯片內(nèi)部的CAN控制器和PCA82C251 。本次設(shè)計(jì)中CAN從站使用的是SJA1000 獨(dú)立CAN控制器和PCA82C251 CAN收發(fā)器配合。： 從站CAN接口結(jié)構(gòu)SJA1000獨(dú)立CAN控制器有兩種模式：BasicCAN和PeliCAN模式。BasicCAN與PeliCAN區(qū)別有：(1) BasicCAN 模式采用11位ID碼，；(2) PeliCAN 模式采用29位ID碼，；(3) SJA1000、P87C591均支持PeliCAN模式；(4) PeliCAN兼容BasicCAN模式，并具有更強(qiáng)功能。SJA1000特性：(1) PeliCAN 模式特性；(2) 可接收/發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)幀()、擴(kuò)展幀()；(3) 內(nèi)置接收FIFO緩沖區(qū)（ 64 字節(jié)）；(4) 支持單/雙驗(yàn)收濾波器；(5) 可編程的錯(cuò)誤限制報(bào)警；(6) 錯(cuò)誤代碼捕獲，仲裁丟失捕獲；(7) 可讀/寫訪問的錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器；(8) 支持單次發(fā)送功能；(9) 具有只聽模式、自檢測(cè)模式。 CANbus總線協(xié)議 幀類型(1) 數(shù)據(jù)幀：從發(fā)送節(jié)點(diǎn)向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)；(2) 遠(yuǎn)程幀：向其它節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求發(fā)送具有同一識(shí)別符的數(shù)據(jù)幀；(3) 錯(cuò)誤幀：指明已檢測(cè)到總線錯(cuò)誤；(4) 過載幀：過載幀用以在數(shù)據(jù)幀（或遠(yuǎn)程幀）之間提供一附加的延時(shí)。 幀格式(1) 標(biāo)準(zhǔn)幀格式：具有11位標(biāo)識(shí)符； 11位標(biāo)識(shí)符標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀(2) 擴(kuò)展幀格式：具有29位標(biāo)識(shí)符； 29位標(biāo)識(shí)符擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀(3) 標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)程幀幀格式； 標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)程幀幀格式(4) 擴(kuò)展遠(yuǎn)程幀幀格式； 擴(kuò)展遠(yuǎn)程幀幀格式(5) 錯(cuò)誤幀幀格式； 錯(cuò)誤幀幀格式(6) 過載幀幀格式。 過載幀幀格式 標(biāo)識(shí)符過濾在CAN總線上，CAN幀總是由一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送，其它節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收，也就是說CAN總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)總能收到總線上的所有CAN幀，對(duì)于一個(gè)特定的節(jié)點(diǎn)來說，接收所有的CAN幀不一定是必須的，于是出現(xiàn)了標(biāo)識(shí)符過濾。標(biāo)識(shí)符過濾即只接收符合一定條件的信息，對(duì)不符合條件的CAN幀只給出應(yīng)答信號(hào)。標(biāo)識(shí)符過濾的作用就是降低硬件中斷頻率和簡化軟件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，提高運(yùn)行時(shí)效率。本次設(shè)計(jì)，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采用了SJA1000CAN控制器，下面以SJA1000CAN控制機(jī)為例子來說明標(biāo)識(shí)符過濾的原理及應(yīng)用。SJA1000驗(yàn)收濾波器由4個(gè)驗(yàn)收碼寄存器ACR0、ACRACRACR3和4個(gè)驗(yàn)收屏蔽寄存器AMR0、AMRAMRAMR3組成。這8個(gè)寄存器在SJA1000的復(fù)位模式下可由主控制器設(shè)置。ACR的值是預(yù)設(shè)的驗(yàn)收代碼值，AMR值是用來表征相對(duì)應(yīng)的ACR值是否用作驗(yàn)收濾波。濾波的一般規(guī)則是：每一位驗(yàn)收屏蔽分別對(duì)應(yīng)每一位驗(yàn)收代碼，當(dāng)該位驗(yàn)收屏蔽位為1的時(shí)候（即設(shè)為無關(guān)），接收的相應(yīng)幀ID位無論是否和相應(yīng)的驗(yàn)收代碼位相同均會(huì)表示為接收；但是當(dāng)驗(yàn)收屏蔽位為0的時(shí)候（即設(shè)為相關(guān)），只有相應(yīng)的幀ID和相應(yīng)的驗(yàn)收代碼位值相同的情況才會(huì)表示為接收。并且只有在所有的位都表示為接收的時(shí)候，CAN控制器才會(huì)接收該幀報(bào)文。濾波的方式上又分“單濾波”和“雙濾波”兩種，兩種不同的過濾模式由模式寄存器中的AFM（ ）位選擇，當(dāng)AFM位是1為單濾波器模式，反之為雙濾波器模式。(1) 單濾波模式這種濾波器配置定義了一個(gè)長濾波器（32位），只有一個(gè)由4個(gè)驗(yàn)收碼寄存器和4個(gè)驗(yàn)收屏蔽寄存器組成的驗(yàn)收濾波器，總線上的信息只有通過了它的驗(yàn)收濾波才予以接收。濾波器字節(jié)和報(bào)文字節(jié)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系取決于當(dāng)前接收幀的格式。l 。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)幀，11位標(biāo)識(shí)符、RTR位、數(shù)據(jù)場前兩個(gè)字節(jié)參與濾波。若接收到的標(biāo)準(zhǔn)幀的數(shù)據(jù)場長度少于兩字節(jié)，缺少的那部分?jǐn)?shù)據(jù)不參與濾波。對(duì)與參與濾波的數(shù)據(jù)，所有AMR為0的位所對(duì)應(yīng)的ACR位和參與濾波數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)位必須相同才算驗(yàn)收通過． 標(biāo)準(zhǔn)幀單濾波l 。對(duì)于擴(kuò)展幀，29位標(biāo)識(shí)符和RTR位參與濾波。對(duì)與參與濾波的數(shù)據(jù)，所有AMR為０的位所對(duì)應(yīng)的ACR位和參與濾波數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)位必須相同才算驗(yàn)收通過。 擴(kuò)展幀單濾波(2) 這種配置由４個(gè)ACR和４個(gè)AMR構(gòu)成兩個(gè)短濾波器，總線上的信息只要通過任意一個(gè)濾波器就被接收。濾波器字節(jié)和信息字節(jié)之間的位對(duì)應(yīng)關(guān)系取決與當(dāng)前接收的幀格式。l 。 標(biāo)準(zhǔn)幀雙濾波l 接收CAN擴(kuò)展幀時(shí)雙濾波器配置如所示。對(duì)于CAN擴(kuò)展幀，第一個(gè)濾波器由ACR0、ACRAMR0和AMR1構(gòu)成，第二個(gè)濾波器由ACRACRAMR2和AMR3構(gòu)成，29位標(biāo)識(shí)符中只有高16位參于濾波。濾波器1和濾波器2的具體比較規(guī)則與單濾波相同 擴(kuò)展幀雙濾波7. 系統(tǒng)軟件架構(gòu) μC/OSII操作系統(tǒng)在早期應(yīng)用階段，嵌入式系統(tǒng)都是由設(shè)計(jì)者直接設(shè)計(jì)外圍電路和編寫應(yīng)用程序，許多是用匯編語言編寫的，并且只能用于特定的微處理器。程序的架構(gòu)也只是簡單的前后臺(tái)程序。使用前后臺(tái)的方式編寫應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)的功能比較簡單，不適合用作大型的工程項(xiàng)目，再而嵌入式系統(tǒng)絕大部分都具有實(shí)時(shí)性的要求，這一點(diǎn)采用前后臺(tái)方式編寫的應(yīng)用程序較難辦到。為了滿足嵌入式系統(tǒng)對(duì)功能和實(shí)時(shí)性的要求，采用最多的就是嵌入式的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有以下優(yōu)良的特點(diǎn)：(1) 執(zhí)行時(shí)間的可確定性。使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的目的就是提高計(jì)算機(jī)的執(zhí)行效率。根據(jù)實(shí)時(shí)性的不同還可以將其分為軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)和硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)。為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)必須要遵守：采用各種算法和策略，始終保證系統(tǒng)行為的可預(yù)測(cè)性；(2) 可裁剪性和可固化。用戶可以根據(jù)自己設(shè)計(jì)的需要對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪。裁剪的目的就是使用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗的嚴(yán)格要求；(3) 多任務(wù)占先式。多個(gè)任務(wù)共同分享硬件系統(tǒng)資源，每個(gè)任務(wù)之間彼此獨(dú)立，且根據(jù)任務(wù)的重要性不同給不同的任務(wù)分配不同的優(yōu)先級(jí)。充分保障高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求；(4) 穩(wěn)定性和可靠性。很多實(shí)時(shí)系統(tǒng)是用在十分重要的工業(yè)控制過程中，設(shè)置是航空、航天項(xiàng)目中，關(guān)系到生命財(cái)產(chǎn)的安全。所有的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)都必須經(jīng)過嚴(yán)格測(cè)試，以保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。μC/OSII是一個(gè)源碼公開、可移植、可固化、可裁剪、占先式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。其絕大部分源碼是用ANSI C寫的，μC/OSII通過了聯(lián)邦航空局（FAA）商用航行器認(rèn)證，其穩(wěn)定性得到了認(rèn)可。μC/： μC/OSII體系結(jié)構(gòu)從μC/OSII體系結(jié)構(gòu)來看，整個(gè)操作系統(tǒng)層次分明，直接與硬件有關(guān)的底層函數(shù)已經(jīng)被壓縮到了最小。這對(duì)于移植μC/OSII到不同處理器是非常有利的。μC/OSII采用了占先式的調(diào)度算法，優(yōu)先級(jí)越高就越容易獲得CPU的使用權(quán)。 任務(wù)狀態(tài)M22A series EV Board工業(yè)控制板配合μC/OSII實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在降低應(yīng)用程序開發(fā)的難度的同時(shí)也保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定，提升了系統(tǒng)的性能。此外M22A series EV Board還提供了控制板上所有資源的驅(qū)動(dòng)庫，使得應(yīng)用程序的開發(fā)大為簡化，： 工控板使用μC/OSII操作系統(tǒng)后的軟件結(jié)構(gòu) 應(yīng)用程序流程有了μC/OSII實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)應(yīng)用程序的平臺(tái)，整個(gè)應(yīng)用程序的開發(fā)在各個(gè)方面都能有所提高。由于μC/OSII實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是基于占先式的任務(wù)調(diào)度，所以要使整個(gè)系統(tǒng)中任務(wù)的執(zhí)行滿足實(shí)時(shí)性的要求，那么在任務(wù)優(yōu)先級(jí)的安排上就有了一定的原則：中斷關(guān)聯(lián)性。與中斷服務(wù)相關(guān)聯(lián)的任務(wù)應(yīng)該安排盡可能高的優(yōu)先級(jí)。以便及時(shí)處理異步事件，提高系統(tǒng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；(1) 緊迫性。越緊迫的任務(wù)優(yōu)先級(jí)越高，通常任務(wù)與ISR向關(guān)聯(lián)；(2) 關(guān)鍵性。越關(guān)鍵的任務(wù)優(yōu)先級(jí)應(yīng)該越高，以保證任務(wù)被CPU執(zhí)行的機(jī)會(huì)；(3) 頻繁性。對(duì)于周期性執(zhí)行的任務(wù)，執(zhí)行越頻繁，則周期越短，允許耽誤的時(shí)間也就越短。故此類的任務(wù)應(yīng)該安排在優(yōu)先級(jí)越高的地方；(4) 快捷性。耗時(shí)越短的任務(wù)，優(yōu)先級(jí)應(yīng)該越高；(5) 傳遞性。信息傳遞上游的任務(wù)高于下游任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)信號(hào)的處理流程可以將系統(tǒng)的任務(wù)劃分為四個(gè)大的任務(wù)。： 系統(tǒng)主要任務(wù)關(guān)聯(lián)根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級(jí)安排的原則和系統(tǒng)任務(wù)的關(guān)聯(lián)，本次設(shè)計(jì)任務(wù)中任務(wù)優(yōu)先級(jí)的安排：(1) 最高優(yōu)先級(jí)的主機(jī)對(duì)從機(jī)的節(jié)點(diǎn)輪詢?nèi)蝿?wù)。該任務(wù)主要負(fù)責(zé)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行輪詢，其間涉及到節(jié)點(diǎn)輪詢超時(shí)的限制，該任務(wù)滿足緊迫性、關(guān)鍵性和頻繁性幾個(gè)原則。(2) 次優(yōu)先級(jí)的主機(jī)對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的讀取和存儲(chǔ)任務(wù)。該任務(wù)滿足緊迫性和關(guān)鍵性原則。(3) 人機(jī)界面管理任務(wù)。該任務(wù)比較的頻繁，但是其耗時(shí)比較多。所以優(yōu)先級(jí)略低。：(1) CANbus節(jié)點(diǎn)輪詢；這一任務(wù)主要完成CANbus主站和從站通信的維系。(2) 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)讀?。贿@一任務(wù)主要完成對(duì)從站節(jié)點(diǎn)上傳的瓦斯?jié)舛鹊葦?shù)據(jù)的讀取并將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以便能夠直觀的顯示出當(dāng)前濃度所對(duì)應(yīng)的電壓值，同時(shí)也可以進(jìn)行進(jìn)一步的轉(zhuǎn)換。和前一個(gè)任務(wù)不同的是，該任務(wù)的執(zhí)行會(huì)受到第一個(gè)任務(wù)和人機(jī)界面的控制。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)丟失或者加入，本任務(wù)會(huì)自動(dòng)識(shí)別。當(dāng)人機(jī)界面需要顯示某個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)，則將選則的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)讀取后送給終端顯示。： 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)接收任務(wù)流程(3) 數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)；該任務(wù)還將接收到的數(shù)據(jù)封裝成簡易數(shù)據(jù)庫規(guī)定的格式，然后按照數(shù)據(jù)庫規(guī)定的時(shí)間格式進(jìn)行分類存儲(chǔ)，以便查詢。本任務(wù)受到數(shù)據(jù)接收任務(wù)的約束，在沒有數(shù)據(jù)接受的時(shí)候該任務(wù)處于等待狀態(tài)。： 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)流程(4) 人機(jī)界面的管理。系統(tǒng)的人機(jī)界面主要由系統(tǒng)的一個(gè)任務(wù)來管理。整個(gè)任務(wù)又可以分為兩個(gè)小的部分，顯示刷新部分和鍵盤管理部分，： 人機(jī)界面管理任務(wù)顯示管理部分，分為靜態(tài)區(qū)域和動(dòng)態(tài)區(qū)域。所謂的靜態(tài)區(qū)域指的是在系統(tǒng)正常運(yùn)行中不需要經(jīng)常刷新的部分，例如整個(gè)主界面的背景圖。只有在進(jìn)行功能切換的時(shí)候才有可能改變主背景圖。反之，動(dòng)態(tài)區(qū)域指的是在系統(tǒng)正常運(yùn)行的時(shí)候需要不斷更新的區(qū)域，例如系統(tǒng)當(dāng)前的時(shí)間，某個(gè)節(jié)點(diǎn)具體通道的數(shù)據(jù)等等。動(dòng)態(tài)區(qū)域刷新耗費(fèi)CPU時(shí)間比較多，所有整個(gè)界面中，動(dòng)態(tài)區(qū)域占的面積比較的少。鍵盤管理部分，分為功能鍵和數(shù)值鍵。功能鍵是進(jìn)入系統(tǒng)某項(xiàng)功能的識(shí)別。這類按鍵有一個(gè)特點(diǎn)就是，只要檢測(cè)到有功能鍵按下，系統(tǒng)就進(jìn)入相應(yīng)的系統(tǒng)功能。而不需要多次的讀入該類鍵的鍵值。反之，數(shù)值鍵一般用來輸入系統(tǒng)所需要的各種參數(shù)，每次輸入都有可能不只一個(gè)數(shù)據(jù)，這就需要在系統(tǒng)運(yùn)行中多次的掃描數(shù)值按鍵的輸入。較之，功能鍵，數(shù)值鍵耗費(fèi)更多的CPU時(shí)間。： 系統(tǒng)