基于ARM的气动物流传输控制系统的设计与研发.pdf

自动化装置与设备 Au t o ma t i o n De v ic e s＆ E qu ip me n 电气 自动化 2 o l 1年第 3 3卷 第 1 期 基于 A R M 的气 动物流传输控 制 系统 的设计 与研发 黄维芳唐厚君赵俊旭万林 上海交通大 学，上海2 0 0 2 4 0 摘要 基于 A R M， 对气动物流传输系统的站点 、 转换站 、 转换 中心 、 节流板等各部分的电气控制部分进行 了硬件与软件的设计 和研发 。 利用 C A N总线的思路对整个物流传输系统进行有效、 实时的通信。从而实现了能够按照发送或者接受要求 ， 实现上百个站点 之间的物流传输， 传输距离可达 1 0 0 0米， 大大提高了物流传输的效率。 关键词 气动物流传输系统A R M嵌入式 系统多任务 C A N总线 [ 中图分类号 ]T P 2 3[ 文献标识码 ]A[ 文章编号 ]1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 1 O 1 - 0 0 8 1 - 0 3 De s i g n a n d De v e l o p o f Ai r -- p o we r e d L o g is t i c s Tr a n s mi s s io n Co n t r o l Sy s t e m Ba s e d O n ARM Hu a n g we i f a n g T a n g h o u j ‘ U B Z h a o j U n X U Wa n l i n S h a n g h a i J i a o ， U n i v e r s i t y 2 0 0 2 4 0 ，C h i n a Abs t r a c tDe s i g n an d de ve l o p ha r dwa r e a n d s o f t wa r e o f p ne uma t i c t u be s y s t e m ba s e d o n ARM ，i nc l ud i ng s i t e，c o n v e r s i o n s t a t i o n s，s wi t c h i n g c e n t e r s，c u t t i n g b o a r ds a n d o t h e r pa r t s o f t he e l e c t r i c a l c o n t r o 1 ． Us i n g t h e i d e a o f CAN bu s a c hi e v e t he c o mmun i c a t i o n o f t he who l e l o g i s t i cs d e l i v e r y s y s t e m v a l i d l y a n d r e a l t i me． I t c a n s e nd o r r e c e i v e g o o ds i n a c c o r d a nc e wi t h t h e r e qu i r e me nt s t o a c hi e v e t he l o g i s t i cs t r a n s mi s s i o n b e t we e n t he hu nd r e ds o f s i t e s，t he t r a ns mi s s i o n d i s t a nc e up t o 1， 0 0 0 me t e r s，g r e a t l y i mpr o v e d t h e e ffic i e nc y o f t r a n s po r t l o g i s t i c s ． Ke ywo r ds p n e uma t i c t r a n s po r t s y s t e m ARM e mbe d d e d s y s t e n l s muhi t a s k CAN bu s 0 前言 医用气动 管道 物流传输 系统是～种新兴 的物流 系统 ， 它使 用 传输管道将各护士站， 手术室， 药房， 检验科等数十个乃至上百个 工作站点连接起来 ， 达到 自动传输医疗物 品的 目的。 本文基于 A R M和单 片机对物 流传输 系统的电气控制部分进 行硬件电路的开发 ， 通过移植操作系统对软件系统 中的多任务进 行有效的管理 ； 通过单片机 的 L ／ O采 集对物 流 系统 中的转换 站 、 转换 中心等各 装 置 的 运 动进 行 实 时 、 精 确 的管 理 ； 以 现场 总线 C A N、 I I C为基础 ， 开发设 计上 下位 机之 间 、 各 站点 之 间的通 信 系 统， 保证整个物流传输系统通信的实时性和准确性。由于整个控 制系统是基于 A R M和单片机开发 的， 因此大大降低 了生产成本 。 l 系统硬件平 台的设计 1 ． 1 硬 件 平 台的整体 设计 气动物流 传输 系统 的下位机包括 以下几个模块 以 A R M7为 核心的用户交互模块、 信号采集模块 、 通信模块 、 电机驱动模块 等。系统 的结构框 图如图 1 所示 。 具 体的设计思路为 通过键盘或者触摸屏输入 需要 发送 的信 息 ， 经指令处 理系统处理后 ， 以 I I C通信 的方 式传送 给执行 模块 ， 再通过 C A N通讯传给控 制 中心 ， 经控 制 中心 判断 、 处理 ， 把控 制 中心的指令又通过 C A N通讯 传 回给执 行系 统 ， 执行 系统通 过信 号采集模块 、 电机驱动模块 后执行 相应 的操 作 ， 以确 保 电机动作 收稿 日期 2 0 1 0 ． 0 6 ． 2 3 图 1系统的硬 件框 图 达到指定 的位置 ， 从而实现整个气动物流传输 系统 中物 品的正常 传输 。 1 ． 2 人 机 交互模 块设 计 人机交互模块 的主要作用 是读 取用 户输 入 ， 为用户显示 工作 信息和提示信息 ， 面向外设的模块主要是键盘和显示屏模 块。本 系统采用 S a m s u n g 公 司的 A R M 7架构 芯片作 为用 户交互 模块 的 核心 ， 其它主 要外设包 括 N o r F l a s h 、 S D RA M外 存 电路 ， P S ／ 2键 盘 电路 ， 液晶驱动与控制 电路 。主要实 现读取并 解 释用 户输 入 ， 驱 动彩色液晶为用户输 出提示信 息和工作 信息 ， 存储程 序 ， 调度任 El e c t r ic a l Au t oma t i o n 81 电 气自 动 化 ／ 2 o l 1 年 第3 3 卷第1 期 自动化装置与设备 A u t o mio n De v i c e s＆ E q u i p me n 务等功能 。采用 7 ． 8时彩色液晶屏作 为显示输 出， 不仅 可以查询 系统中所有站点的编号信息 ， 且可直观地显 示系统 的连接拓 扑 ， 既美 观又方便 。结构框 图如图 2 所 示。 至I ／ O ． 集及 图 2人机交互 电路结构 本设计中用 到的 A R M 7芯 片的其它接 口包括 I I C接 口、 串 口 和并 口。其 中 I I C接 口的作 用为 用于外 扩 E E P R O M， 以便保存 系统 中必要的信息 ， 如发送和接 收纪录等 ， 使 在掉 电情 况下不 致 丢失 ； 用于与单片机之 间进 行实时通信 ， 把读取 到的用户 信息通 过 C A N总线接 口发给控制 中心 。 1 ． 3信号采 集及通信 模块设 计 A R M 7芯片不具有 C A N总线 硬件模块 ， 要 实现 与系统 C A N 总线通讯 ， 必须通过外扩 C A N协议控制芯片 ， 如常用 的 Mi c r o c h i p 公 司的 MC P 2 5 1 5 来 实现 。但 外扩 的 C A N协议控 制芯 片在成 本 上 与带有 C A N总线模块的单 片机 相差不多 ， 故采 用带有 C A N总 线模块的单片机代替外扩的 C A N协议控制芯片。 另外， 换向器所用到的传感器个数较多， 意味着控制电路需 要较多的采集接口。采用单片机作为信号采集及通信模块设计 的核心 ， 给系统设计带来 了很大的灵活性 ， 如电机驱动 、 传感器采 样 等任务可 以由单 片机直接 完成 。本方案 采用基 于 I I C协议 的 I ／ O扩展 电路来完成多路 传感器信 号 的采集 ， 节省 I ／ O 口， 提 高 效率 。 采集的传感 器信 号有 1 磁 性位 置传感 器信 号 当电机 带 动小车移位 ， 接近磁性位置传感 器时 ， 传感器 给控制单 元发送 相 应 的信号 ， 则控制单元给电机发送停 止转动 的信 号。 2 光 电传 感器信号 当传输瓶被置于发送台上时， 或传输瓶即将到达站点 时， 或即将到达转换器时， 光电传感器探测到传输瓶， 即给控制单 元发送相应信号 。 因此 ， 本 系统 的 I ／ O采集 及通信模块设计 以 MC 9 S系列单片 机为核心 ， 主要完成传感 器信 号采集 ， 电机驱动 ， 与控 制中心通过 C A N总线进 行 通 信 ， 以 及 通 过 I I C与 A R M 进 行 通 信 等 功 能。 A R M 7和 MC 9 S系列单片机通过 I I C协议 进行通信 。结构 如图 3 所示 。 2系统软件 的设计 系统软件基于操作 系统 开发 ， 主任务 流程如 图 4所示 。由于 工作站点要完成的任务较多 ， 需要随时从键盘或者触摸屏读取用 户输 入的命令 ， 将提示信息 和状态信息 显示到显示屏 上 ， 将 需要 8 2 El e c t c a l Au t o ma on 图 3信号 采 集 及 通信 电路 结构 发送给控 制 中心 的信息 以及从控 制 中心 接收 到的信息通 过 I I C 接 口发送 出去或接收进来。要使这些任务配合运行 ， 使用传统单 片机单任务的编程方式在实现上比较困难， 需要使用一些全局数 据结构 。这样的实现方式必然使各任务问的耦合度增加 ， 不利于 代码 的模块化来支持 良好 的可移植性 。一旦需要 增加新 功能或 改动某个任务， 就有可能需要改变整个软件的结构， 工作量是巨 大的 ， 效率很低。因此本 系统采用移 植嵌入式 操作 系统的方案 ， 利用多任务机制 ， 将系统的功能 要求划分 为几个任务 ， 通过操 作 系统的调度机制和通信机制来使它们配合运行， 从而完成系统要 求的功能。 考虑到 A R M 7的资源和工 业领域的应用环境 ， 本 系统选择 了 u C O S I I 作 为移植对象 。 对 图形 的处理 ， 本 系统采用 u C ／ G U I 这种嵌入式 应用 中的 图 形支持系统 。它 可为 任何 使用 L C D图形 显示 的应 用提 供 高效 的、 独立 于处理器及 L C D控制器 的图形用 户接 口； 它适用 于单任 务或是多任务系统环境， 并适用于任意 L C D控制器和 C P U下任 何尺寸的真实显示或虚拟显示。 图 4主任务程序流程图 下转第 8 5页 自动化装置与设备 Au t o ma t i o n De v i c e s＆ Eq u i p me n t s 2 ． 2单相 整 流器上 电电路 仿真 分析 利用 MA T L A B ／ S I MU L I N K建立 图 4的单相 整流 器上 电 的仿 真电路。单相交流输入 2 2 0 V A C ， 期望输 出直 流 电压 3 1 1 V D C， 其 中输入滤波电感为 0 ． 5 m H， 输 入滤波 电容 为 2 ． 2 F ， 电解 电容 为 4 7 0 0 F， 上电电阻为 4 7 。设定 电压 曲线为直线 ， 上电时间为 0 ． 7 S ， 采用常规滞环电压控制器， 直流电压波形如图 7所示 ， 网侧 电流波形 如图 8所示 。 图 8单相整流器可控上 电电路直流 电压仿真波形 JI_ljl IjIJ⋯ “ ⋯ 。．． Il1 l” lIIIIllll” ’ 一 } ． ． I ． 1 图 9 单相整流器可控上电电路 网侧电流仿真 波形 图 1 O单相整流器可控上 电电路直流 电压仿真波形 。． C ● 1． 0● 0 ●‘0 ● 一 ● 2 C’ ● ● ‘ 。 ● ● ●。 一● __．、 j● ● J 0 ● ● ●一● ， 0● - ● ● 一● 上接 第 8 2页 它的设计架构是模 块化 的 ， 由不 同的模块 中的不 同层组 成。 其中 L C D驱动层包含所 有对 L C D的具 体 图形 操作 。u C ／ G U I 可 以在大多数 C P U上运行 ，因为它是用标准 c代码编写 的。 3 结束语 本文通过对硬件平台的设计 ， 并在此基础上进行软件程序的 开发， 实现了整套物流传输系统的功能， 在气动物流传输系统的 国产化进程 中迈 出了重要的一步 。 医用气动管道物流传输系统有效地提高了各种医用物品在 医院内的传输效 率 ， 为 医务 人员 创造 出高效 的工 作环境 ， 为 患者 营造 出更便捷 的就医环境 ， 必将 成为现 代化 医院 的发展 趋势 ， 因 此 ， 加快其 国产化具有重大意义 。本 系统是 基于 AR M7单 片机 进行开发 的， 在降低生产成本方 面具备一 定的优势 。 电气 自动化 2 0 1 1年第 3 3卷 第 1期 采用近似单位功率因数控制器时， 直流电压波形如图 1 O所 示 ， 网侧 电流波形如图 1 1 所示 。 图 l 1 单相整流器可控上电电路网侧电压 电流仿真波形 3 结论 设计 了一种直流 回路电压 可控 的上电 电路 ， 适 用于 单相 、 三 相不控整流电路和电压型 P WM整流电路。对于三相整流电路， 可以实现直流回路电压任意波形上电。对于单相整流电路可以 实现高功率因数上 电。给 出了电路拓扑 ， 对工作原理进行 了理论 分析 ， 并 给予 了仿 真验证 。所得结果表 明 ， 所 提 出的可 控上 电电 路具有可行性， 能够可控上电， 降低上电冲击 、 抑制上电 E M I 、 延 长电容使用寿命、 减少上电损耗和防止上电过压。 参考文献 [ 1 ]王晗． 大功率单相数字 A P F C的研究与实现[ D ] ．上海 上海交通大 学硕士学位论文 ， 2 0 0 9， 1 ． [ 2] 张崇魏 ． 张兴．P WM 整流器 及其控 制 [ M] ．北 京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 3年 1 O月第 1 版． [ 3] 曲学基 ， 曲敬铠 ， 于明扬 ．电力电子整流技 术及应用 [ M] ．北 京 电子 工业出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 4] 吴竞 昌．供电系统谐波 [ M] ．北京 中国电力出版社 ， 1 9 9 8 ． [ 5 ] 林 海 雪 ，孙 树 勤． 电力 网 中 的 谐 波 [ M] ．北 京中 国 电 力 出 版 社 ， 1 9 9 8 ． [ 6 ] 陈伯时．电力拖动自动控制系统 一 运动控制系统[ M] ．北京 机械工 业 出版社．2 0 0 3 ． 【 作者简介】曹中圣 1 9 8 6 一 ， 男， 湖北黄石人， 硕士研究生， 研究方向为 三相 P WM整流 器技术。 ● 一 0● 0。● 0◆ O C●__． _|． u●j c ● ● 一●一 1 ．_ 0● ●H● ●‘● |．_ ●、 ．0 ◆ O C● Ⅲ0 参考文献 [ 1 ]沈 崇 德 ．浅 谈 医 院 物 流 传 输 系 统 [ J ] ．医疗 卫 生 装 备 ， 2 0 0 9， 3 0 6 2 9 ． [ 2 ]物流 传输 系统 在 医疗 工 作 中 的应用 [ J ] ． 医疗 卫生 装 备 ， 2 0 0 6， 2 7 1 2 5 2 ． [ 3]陈夏清， 吴燮华 ．应用于数据采集 系统 中的 4 8 5总线 与 C A N总线 比 较 [ J ] ． 工业控制计算机 ， 2 0 0 4 ， 1 7 5 5 6～5 7 ． [ 4 ] 阳宪惠．现场总线技术及其应用[ M] ． 北京 清华 大学 出版社 ， 1 9 9 9 ． [5 ] 韩国三星公司． 3 C 4 4 B 0 X R I S C M I C R O P R O C E S S O R Da t a S he e t ， 2 0 0 7 ． [ 6 ]胥静．嵌入式 系统设计 与开发实例 祥解基于 A R M 的应用 [ M] ． 北 京 北京航空航天大学 出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 作者简 介】黄维芳 1 9 8 6一 ， 男， 硕士研 究生， 研 究方向为电力电子与 电 力 传 动 。 E l e c t r i c a l Au t o ma t i o n 8 5