李文鉛， 劉鶴， 孫陽陽， 孫百才

(曲阜師范大學(xué) 工學(xué)院，山東 日照 276826)

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基于AVR的多點文件柜狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

李文鉛， 劉鶴， 孫陽陽， 孫百才

(曲阜師范大學(xué) 工學(xué)院，山東 日照 276826)

AVR單片機具有高可靠性、高性能、低功耗等特點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制之中。針對1024個密集文件柜狀態(tài)監(jiān)測問題，自主研發(fā)了以AVR單片機為核心的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對文件柜內(nèi)有無存放物體以及何種物體進行管理。本系統(tǒng)包括文件柜狀態(tài)檢測、數(shù)據(jù)采集、ModBus通信、上位機組態(tài)等部分。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性、可靠性高，成本較低，具有很高的應(yīng)用推廣價值。

AVR；文件柜；狀態(tài)監(jiān)測；ModBus通信；組態(tài)；光電隔離

0 引 言

現(xiàn)今信息資料的存儲呈現(xiàn)出多量化、密集化的發(fā)展趨勢，密集文件柜已經(jīng)成為政府工作部門、企事業(yè)單位、檔案館等存儲信息資料的最佳選擇。密集文件柜的自動化和管理現(xiàn)代化成為亟待研究解決的關(guān)鍵問題。由于沒有有效的系統(tǒng)來完成狀態(tài)采集和信息傳送功能，在密集文件柜現(xiàn)場都是依靠人力檢查記錄來實現(xiàn)密集文件柜的管理，這增加了勞動強度和管理成本。為解決上述問題，采用了高性能的AVR單片機[1]，運用傳感器檢測技術(shù)[2]、ModBus通訊技術(shù)、分布式控制技術(shù)等，構(gòu)建了一個1 024點的采集和監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)創(chuàng)造性的設(shè)計出矩陣掃描式采集電路，解決了傳統(tǒng)設(shè)計因狀態(tài)變量過多而導(dǎo)致的"采集難"、成本高的問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

本系統(tǒng)使用ITR9909紅外傳感器檢測密集文件柜內(nèi)有無文件的狀態(tài)，利用AVR單片機完成對1024個文件柜狀態(tài)的采集，然后通過RS485總線將采集數(shù)據(jù)傳送給上位機，上位機通過組態(tài)界面對1024個文件柜物體的屬性進行管理并實時顯示。當(dāng)柜內(nèi)有檔案放置時，現(xiàn)場相應(yīng)柜體上的LED指示燈亮，在上位機組態(tài)上對應(yīng)的柜體組態(tài)位置顯示存放的文件名稱并以綠色提醒有文件存放；無檔案放置時，現(xiàn)場相應(yīng)柜體上的LED指示燈滅，在上位機組態(tài)上對應(yīng)的柜體組態(tài)位置顯示為空并以紅色提醒柜內(nèi)無文件存放。每次需要存放文件時，先從上位機上確定要存放到空的文件柜位置，在此位置上標(biāo)注存放的文件名，然后工作人員將文件放到相應(yīng)的空文件柜中，現(xiàn)場LED指示燈自動亮，同時組態(tài)軟件會根據(jù)上傳上來的信息自動刷新組態(tài)中文件柜信息，將相應(yīng)的文件柜組態(tài)以綠色顯示出來。若需要取文件時，直接從文件柜中將文件拿走即可，現(xiàn)場LED指示燈自動滅，上位機會自動將組態(tài)中相應(yīng)位置的柜體顯示為空(屬性為空，并以紅色提醒)。這樣不僅可以在監(jiān)控室遠程查看文件柜的信息，而且可以在現(xiàn)場直接判斷文件柜的狀態(tài)，方便快捷實現(xiàn)文件的管理。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)

本監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

本系統(tǒng)主要包括監(jiān)控平臺、串口通信模塊、智能控制單元、傳感器矩陣以及電源模塊五個部分。

(1) 監(jiān)控中心:上位機使用組態(tài)王軟件構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)人機交互工作，實時顯示各文件柜的狀態(tài)。

(2) 通信單元：采用高性能ADM2483芯片作為RS485驅(qū)動芯片，內(nèi)部集成隔離器，具有低功耗、高抗干擾能力等特點。

(3) 控制單元：采用AVR單片機系列中的 Atmega1280作為控制芯片，將采集的數(shù)據(jù)暫時保存在內(nèi)部RAM區(qū)并通過RS485總線上傳到上位機，實現(xiàn)實時通信。

(4) 采集單元：1024個ITR9909紅外傳感器模塊接成32*32矩陣式電路對1024個柜體進行監(jiān)測。

(5) 電源單元：使用穩(wěn)定性較好的AMS1117-3.3穩(wěn)壓芯片，為最小系統(tǒng)提供3.3 V穩(wěn)定電壓，12 V直流電源為采集電路供電。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 核心控制器的選型

Atmega1280是基于RISC 結(jié)構(gòu)的高性能、低功耗的 8位AVR 微控制器[3]，提供86個可編程I/O端口，具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，內(nèi)置8 kB片內(nèi)SRAM，128 kB系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，并內(nèi)置多種串行通信接口，包括TWI(I2 C)兩線接口、四路可編程USART和可工作于主機/從機模式的SPI串行接口。具有執(zhí)行速度快，內(nèi)部資源豐富，穩(wěn)定性高等特點。最高數(shù)據(jù)吞吐率達1 MIPS/M h，能有效減緩系統(tǒng)功耗和處理速度之間的矛盾。完全可以滿足該系統(tǒng)的設(shè)計要求。

2.2 矩陣式采集電路的設(shè)計

圖2 矩陣式采集電路原理圖

根據(jù)設(shè)計要求，紅外采集部分要檢測1024個文件柜狀態(tài)，為了盡量的少占用單片機的I/O口，本系統(tǒng)設(shè)計了矩陣式采集電路，可以實現(xiàn)使用一個AVR控制芯片完成對1024個點的采集，矩陣式采集電路原理如圖2所示。Atmega1280單片機將32個I/O口直接與行線相連作為輸出口，另選32個I/O口直接與列線相連作為采集數(shù)據(jù)輸入口。具體工作原理如下：首先系統(tǒng)將32路行線的第一行輸出高電平(其余31位為低)，通過驅(qū)動電路驅(qū)動該行的32個紅外發(fā)光二極管，當(dāng)該行對應(yīng)的任一文件柜有文件時，接收端接收反射光而輸出高電平，否則輸出低電平，系統(tǒng)會將這32位數(shù)據(jù)直接刷新到單片機相應(yīng)的寄存器單元組1(共4個字節(jié))。然后將I/O口高電平左移一位，使第二路行線輸出高電平，再次讀取32根列線上的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)直接刷新到單片機的相應(yīng)的寄存器單元組2(共4個字節(jié))；以此類推，將全部32根行線置位一遍，讀出32組列線數(shù)據(jù)，每組4個字節(jié)，共有128個字節(jié)(1 024位)數(shù)據(jù)。這種矩陣式采集電路簡化連線，使系統(tǒng)連線最少。使用掃描方式監(jiān)測各個點，保護每個點上的發(fā)光元件，大大延長測量元件的使用壽命。

2.3 光電隔離電路設(shè)計

為了使系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力，本系統(tǒng)在32路I/O輸出端和32路I/O輸入端的每一路都使用光電耦合器[4]進行光電隔離，通信接口也采用具有強抗干擾的ADM2483芯片作為485總線驅(qū)動器，將外電路與單片機電路徹底隔離，使外電路的干擾在進入單片機之前徹底消除，提高了采集器的抗干擾能力。同時，在輸出隔離光耦后增加了一個S8550三極管，有效地提高了電路輸出端的驅(qū)動能力。光電隔離電路如圖3所示。

圖3 光電隔離電路

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 單片機主程序設(shè)計

AVR單片機上電工作以后首先進行設(shè)備的初始化，包括端口初始化、波特率設(shè)置、串口初始化、開啟接收中斷等工作。接著進行循環(huán)式掃描，每掃描一行將采集數(shù)據(jù)按照字節(jié)的方式存在SRAM區(qū)。直到完成對32行的掃描后，進入?yún)f(xié)議解析函數(shù)。然后在解析函數(shù)中會完成主機命令的解析、從機命令的回應(yīng)、上傳采集數(shù)據(jù)等工作。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

3.2 ModBus通信協(xié)議

本系統(tǒng)采用ModBus-RTU協(xié)議，實現(xiàn)AVR單片機和上位機之間的通信。ModBus協(xié)議使用的是主從通訊模式，即由主站設(shè)備主動查詢和操作從站設(shè)備。消息發(fā)送開始的判定標(biāo)準(zhǔn)時至少要有 3.5 個字符時間的停頓間隔。整個消息幀必須作為連續(xù)的數(shù)據(jù)流來傳送。如果在傳送過程中間有超過 3.5 個字符時間的停頓，接收設(shè)備將認定下一字節(jié)是一個新數(shù)據(jù)包的地址碼，從而出現(xiàn)誤判[5]。根據(jù)ModBus協(xié)議規(guī)定，主機會根據(jù)設(shè)定的固定時間周期性不斷發(fā)送命令數(shù)據(jù)包，從機負責(zé)接收。本設(shè)計中在單片機RAM區(qū)中設(shè)置接收緩存數(shù)組，負責(zé)存放主機的發(fā)送命令數(shù)據(jù)包。當(dāng)完成對發(fā)送命令的接收時，單片機對協(xié)議命令進行解析。在一個周期內(nèi)，從機首先核對從機地址和接收到的地址碼是否一致。若一致則查看功能碼的匹配，功能碼的作用就是主機告訴從機執(zhí)行什么動作。若地址不匹配，則會丟棄這一次的數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)區(qū)是根據(jù)不同的功能碼而不同。CRC碼的高字節(jié)在后，低字節(jié)在前。就本次程序設(shè)計而言，主機只需要讀取從機的數(shù)據(jù)，用到讀取多字寄存器功能碼03。主機發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)區(qū)包括起始寄存器地址、讀取寄存器個數(shù)。對于從機來說，回應(yīng)命令包括從機地址、功能碼03、上傳數(shù)據(jù)長度N、N個采集數(shù)據(jù)、CRC校驗碼。這個過程是在ModBus協(xié)議解析函數(shù)中完成的，解析函數(shù)流程圖如圖5所示。

圖5 ModBus協(xié)議解析函數(shù)

4 上位機軟件的設(shè)計

為了使工作人員在監(jiān)控界面上直觀的查看到各個柜子的狀態(tài)，上位機采用友好的人機交互界面見圖6、圖7，本設(shè)計中使用組態(tài)王KINGVIEW 6.55[6]對監(jiān)控界面進行組態(tài)設(shè)計。單片機的上傳數(shù)據(jù)是以字的形式存放于上位機組態(tài)王的保持寄存區(qū)，共計64個字數(shù)據(jù)，將每一個字數(shù)據(jù)通過和0x0001、0X0002……0X8000依次相與得到16個二進制位，共計1 024位。然后重新分配得到的二進制位地址，實現(xiàn)對每一個文件柜狀態(tài)的顯示。

圖6 主監(jiān)控界面

圖7 第一組子界面

為提高監(jiān)測系統(tǒng)的可視化程度，監(jiān)控界面由主界面和32個子界面組成：將1 024個文件柜進行編號，分成32組，每組有32個文件柜。實際工程中用具體文件名標(biāo)注編號進行區(qū)分。主界面有32組子界面圖標(biāo)構(gòu)成，點擊主界面的某一子界面圖標(biāo)進入相應(yīng)的子界面。在子界面中，文件柜狀態(tài)由指示燈顏色顯示，綠色表示有文件，紅色表示無文件。工作人員只需在主界面中選擇文件所在組，就能輕松方便查看其狀態(tài)信息，便于管理操作。

5 結(jié)束語

本文立足于檔案館文件管理實際，自主設(shè)計了對大量文件柜狀態(tài)的采集、數(shù)據(jù)傳輸以及實時顯示的監(jiān)測系統(tǒng)，創(chuàng)造性的設(shè)計了大量開關(guān)量的矩陣式電路采集方式，實現(xiàn)了對密集文件柜的智能化、可視化管理，極大地提高了文件查找的效率，節(jié)省了管理成本。本系統(tǒng)的設(shè)計方法可以廣泛應(yīng)用于檔案館、圖書館、公司資料存儲室等場所，具有一定的市場推廣潛力。

[1] 嚴雨,廉潔.AVR單片機C語言應(yīng)用100例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.

[2] 樊尚春.現(xiàn)代傳感技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2011.

[3] 胡漢才.高檔AVR單片機原理及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

[4] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ) 模擬部分[M].北京:高等教育出版社,2006.

[5] 朱小襄. ModBus通信協(xié)議及編程[J].電子工程師,2005，31(6):7.

[6] 劉燕,夏建全,明正峰. 基于VB實現(xiàn)的組態(tài)王與單片機間通信[J].自動化與儀器儀表,2006，25(5):91-93.

為了你和家人的健康，請不要吸煙。

點燃你的煙，污染了空氣，害了人性命，良心在哪里！

Design of a Multi-point File Cabinet State Monitoring System Based on AVR

Li Wenqian, Liu He, Sun Yangyang, Sun Baicai

(College of Engineering, Qufu Normal University, Rizhao Shangdong 276826, China)

Featured in high reliability and performance and low power consumption, the AVR single-chip microcomputer is widely used for industrial control. With regards to state monitoring for 1024 densely loaded file cabinets, we have developed on our own a status monitoring system using AVR single-chip microcomputer as the core to keep informed on whether there are deposits in the cabinets and what they are. The system contains different parts, such as those for cabinet status monitoring, data acquisition, Modbus communication and host computer configuration. It has a simple structure, high stability and reliability and low cost, and is highly worthy of popularization.

AVR； file cabinet; state monitoring; ModBus communication; configuration; photoelectric isolation

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.03.006

TP202

A

1000-3886(2016)03-0017-03

李文鉛(1989-)，男，山東鄒城人，研究生，從事工業(yè)自動化研究。 劉鶴(1991-)，男，山東泗水人，研究生，從事計算機控制研究。 孫陽陽，(1988-)，女，山東寧津人，研究生，從事工業(yè)自動化研究。 孫百才(1990-)，男，山東臨沂人，研究生，從事測控技術(shù)研究。

定稿日期: 2015-09-25

(曲阜師范大學(xué) 工學(xué)院，山東 日照 276826)

摘 要： AVR單片機具有高可靠性、高性能、低功耗等特點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制之中。針對1024個密集文件柜狀態(tài)監(jiān)測問題，自主研發(fā)了以AVR單片機為核心的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對文件柜內(nèi)有無存放物體以及何種物體進行管理。本系統(tǒng)包括文件柜狀態(tài)檢測、數(shù)據(jù)采集、ModBus通信、上位機組態(tài)等部分。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性、可靠性高，成本較低，具有很高的應(yīng)用推廣價值。