等基于µC/OS-II操作系统KDG15A型远程控制开关的研究

天地（常州）自动化股份有限公司 夏 云

1.前言

随着煤矿综合自动化程度的提高，井下网络系统的应用也越来越广泛，通过网络系统不仅能在井下现场操作各种设备，同时能在地面实现远程控制，而且能在地面实时监测各种设备的运行参数等，真正实现远程综合自动化系统。

目前国内现场的远程控制开关种类比较繁杂，造成系统接人控制总线种类大，给现场应用造成困难，我单位目前研制的KDG15A型远程控制开关是KJ95N型煤矿综合监控系统的配套产品，通过现场总线RS485，用于远距离控制设备的开关，同时带有馈电状态检测功能，可反映被控设备的状态。

2.需求及技术分析

随着井下自动化程度的提高，井下各种设备的控制及监控系统，可以挪移到地面控制中心，实现集中控制，减少了人工系统，例如井下中央水泵房排水系统，当水仓达到井下警戒水位后，必须及时开启井下水泵向地面排水，这时就要逐一开启相应的设备，例如首先把相应管路的阀门开启到位，并需监测阀门是否开启到位；然后开启真空泵向主排水泵抽真空，确保真空后，再开启主排水泵，这样的一系列操作必须在现场安装远程控制开关。

又例如井下的皮带机控制系统，由于井下皮带系统可以实现远距离运输，皮带机路线长，但皮带机系统根据煤矿安全规程要求必须安设温度保护、速度保护、烟雾保护、跑偏保护、满煤保护、沿线紧急停车、纵撕保护等8大保护系统，这几大保护如何在远距离实现，必须在现场安装远程控制开关。

因此远程控制开关的应用在煤矿现场中非常广泛，我单位根据目前煤矿的具体现状，结合煤矿必须具备的六大系统中的监测监控系统，综合分析后决定研发KDG15A型远程控制开关，并选择RS485现场总线，方便接入目前常用的KJ95N型煤矿综合监控系统，给用户提供了方便可靠的远程控制开关。

3.KDG15A型远程控制开关硬件设计

3.1 CPU控制器的选型

KDG15A型远程控制开关选用PHILIPS公司最新的LPC2119控制器作为系统CPU，该控制器是基于支持实时仿真和一个跟踪的16/32位ARM7TDMI-STM CPU，同时带有128/256 kB（字节）嵌入的高速Flash存储器。宽度128位的存储器接口和很独特的加速结构能够使32位代码在最大时钟速率下运行。对系统代码规模有非常严格控制的应用，可选择16位Thumb模式将代码的规模降低超过30%，而系统性能的损失却很小。

LPC2119控制器为非常小的64脚封装、非常低的功耗、几个32位定时器、4通道10位ADC、2路CAN、PWM通道、46个GPIO以及多达9个外部中断。并且内置了宽范围的RS485串行通信接口。

具体的系统图如图1所示。

图1 KDG15A型远程控制开关结构框图

3.2 系统电源的设计

KDG15A型远程控制开关考虑到要搭接KJ95N型煤矿综合监控系统，由于KJ95N型煤矿综合监控系统中具有9-18直流电源电压，只需在内部简单增加电源滤波以及相应5V、3.3V LM1117-3.3和1.8VLM1117-1.8型电源转换就可以了，在此不在啰嗦。

3.3 抗干扰电路的设计

由于井下各种信号的电磁干扰比较强。为了防止共摸干扰和差模干扰引入到KDG15型开关内部，对芯片以及其他相应硬件造成损坏，因此在各种继电器开关量和系统采集电路之间相应加了光电隔离器，增加系统抗干扰的能力。开关量的光电隔离抗干扰电路图如图2所示：

图2 光电隔离抗干扰电路图

3.4 RS485电路的设计

作为目前常用的通讯接口，选用ADM487作为RS-485通信元件，同时考虑到系统的抗干扰性在485电路中增加3个快速光耦，这样配置不仅设计简单而且价格实惠。具体不在啰嗦，详见图3。

图3 RS485电路设计

4.KDG15A型远程控制开关软件设计

KDG15A型远程控制开关软件通过采用移植µC/OS-II嵌入式实时操作系统(RTOS)作为该开关的操作系统。µC/OS-II操作系统是一种公开源代码、结构小巧、具有可剥夺实时内核的实时操作系统，不仅具有编程简单、简洁，同时具有可裁减性好、可靠性高、实时性强等特点。

µC/OS-II操作系统是一个实时操作系统内核，它不仅仅包含了任务调度，任务管理，时间管理，内存管理和任务间的通信和同步等基本功能，而且包含了信号量管理、事件管理、邮箱消息管理、消息队列管理、内存管理、事件标志组管理等几个部分，以上功能完全可以通过用户自己根据需要进行简单的设置即可实现。由于µC/OS-II具有良好的可扩展性和源码开放，其他的输入输出管理，文件系统，网络等额外的任务，用户可以根据需要简单编程即可实现。

通过移植嵌入式µC/OS-II实时操作系统，应用程序变得相对简单，主程序Main()函数如下：

Void main(void)

{

OSInit();//系统初始化

InitTimer0();//Timer0初始化，Timer0作为系统时钟节拍源

OSTaskCreate(Task1,(void*)0,(void*)&TaskStk[1][0],6);/*建立任务1*/

OSTaskCreate(Task2,(void*)0,(void*)&TaskStk[2][0],6);/*建立任务2*/

OSStart();/*开始多任务调度*/

}

通过主程式，设置系统内部初始化，并设置好系统的时钟节拍源，只需建立两个任务即可实现Task1作为485通信任务，Task2作为系统输入、输出的监测控制任务。

Task1任务485通信程序采用中断方式启动，在系统设置内部设置好时间间隔，到时间即开启Task1，具体流程图见图4。

图4 Task1通信任务流程图

数据处理及控制Task2程序如图5所示：

图5 数据处理及控制Task2程序

数据处理及控制程序，任务启动后，首先判断是否有上位机发送的控制命令，如果有控制命令，根据上位机控制命令分别对端口进行控制，如无控制命令对所有端口进行监测，监测完成后将监测结果存储到相应位置。

5.结论

本文根据井下现场综合自动化的需求简单介绍了KDG15A型远程控制开关设计，该控制开关系统设计简洁，方便搭接KJ95N型煤矿综合监控系统，为井下煤矿综合自动化提供了很好的搭建平台。该KDG15A型远程控制开关已在我公司投入生产并依法取得防爆合格证和MA煤矿安全许可证，已投入到各个矿物局使用，并取得了很好的口碑。

[1] ARM公司.ARM7DMI-S Technical Reference Manual Rev4.2003.

[2] 罗永道,罗徽,廖宁放.基于uC/OS的嵌入式系统通信接口设计[J].微计算机信息,2006.

[3] LPC2119/2129/2194/2292/2294使用指南[S].广州周立功单片机发展有限公司,2004,11.

[4] 周航慈.单片机程序设计技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,1991.

[5] 梁少晶,穆平安,戴曙光,谢光伟.CAN-bus在煤矿安全远程监控系统中的应用[J].仪器仪表学报,2006,Z1.

[6] 方崇全,郭江涛,汤朝明.矿用监控分站程序远程在线更新设计[J].矿业安全与环保,2009,2.

[7] 任哲.嵌入式实时操作系统µC/OS-Ⅱ原理及应用[M].北京航空航天大学出版社,2005,8.

[8] 邵贝贝.嵌入式实时操作系统µC/OS-II[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[9] 王德胜,米娜.基于CAN总线皮带机控制系统远程控制器的研究[J].中国矿山工程,2010,6.

[10] 煤矿安全规程[M].北京:煤炭工业出版社,2006.