李宗珠，趙廣會(huì)，張幸福

(1.內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責(zé)任公司，烏海 016200；2.鄭州煤機(jī)液壓電控有限公司)

LPC4320雙核處理器在支架電液控系統(tǒng)中的應(yīng)用

李宗珠，趙廣會(huì)，張幸福

(1.內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責(zé)任公司，烏海 016200；2.鄭州煤機(jī)液壓電控有限公司)

隨著煤礦自動(dòng)化、智慧礦山的快速發(fā)展，工作面支架電液控系統(tǒng)的功能也更加復(fù)雜。為了滿足支架電液控系統(tǒng)在實(shí)時(shí)姿態(tài)控制、數(shù)據(jù)傳輸以及與工作面采煤機(jī)、刮板機(jī)、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)方面的要求，本文基于LPC4320異構(gòu)雙核處理器開發(fā)一種新型支架控制器。既有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，滿足多通道傳感器實(shí)時(shí)信號(hào)采集與處理以及基于數(shù)字信號(hào)的支架控制功能的需求，又具有強(qiáng)大的控制能力，實(shí)現(xiàn)支架遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)控制、多設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制等功能。

煤礦自動(dòng)化；支架電液控系統(tǒng)；支架控制器；異構(gòu)雙核處理器

引 言

起源于國外的液壓支架電液控系統(tǒng)在上世紀(jì)90年代引入國內(nèi)，支架電液控系統(tǒng)以高產(chǎn)、高效、安全的特點(diǎn)在國內(nèi)迅速得到了推廣與應(yīng)用。本世紀(jì)初，鄭煤機(jī)、北京天瑪?shù)葒鴥?nèi)廠家在支架電液控系統(tǒng)領(lǐng)域相繼取得關(guān)鍵突破，支架電液控系統(tǒng)在國內(nèi)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新階段。國產(chǎn)電液控系統(tǒng)在繼承進(jìn)口電液控系統(tǒng)高產(chǎn)、高效、安全特點(diǎn)的同時(shí)，成本得到了大幅下降，進(jìn)一步拉近了用戶與支架電液控系統(tǒng)的距離。目前，數(shù)字化礦山、智慧礦山等研究的進(jìn)一步深入，對(duì)綜采工作面支架電液控系統(tǒng)的智能化和自動(dòng)化程度均提出了更高的要求。支架電液控系統(tǒng)不僅要完成對(duì)支架的立柱下腔壓力、推移行程、紅外線接收器等常規(guī)傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，還要具備對(duì)姿態(tài)傳感器、高度傳感器、接近傳感器等新型傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理；不僅要完成支架、采煤機(jī)、刮板機(jī)的三機(jī)聯(lián)動(dòng)自動(dòng)割煤，還要具備與工作面視頻系統(tǒng)、支架遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)與控制能力。綜采工作面自動(dòng)化需求的日益提高，要求支架電液控系統(tǒng)不僅要具有動(dòng)作控制能力，還要具有大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸、各種傳感器的數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理能力，而目前的51單片機(jī)、ARM7等微控制器很難同時(shí)滿足高性能數(shù)字信號(hào)處理能力、大量數(shù)據(jù)傳輸與I/O控制的要求。NXP公司推出的LPC4320微控制器在單芯片內(nèi)無縫集成了Cotex-M4與Cotex-M0兩個(gè)處理器，能夠很好地滿足支架電液控系統(tǒng)對(duì)高性能數(shù)字信號(hào)處理與大量數(shù)據(jù)傳輸與I/O控制的要求[1]。

1 LPC4320雙核處理器

LPC4320是NXP公司針對(duì)數(shù)字信號(hào)控制推出的一款異構(gòu)雙核數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)，其M4與M0內(nèi)核運(yùn)行速度均可達(dá)204 MHz，利用M4強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)能力與M0的控制能力，可以為DSP與MCU應(yīng)用提供單一的架構(gòu)與開發(fā)環(huán)境[1]。在LPC4320芯片中，M4作為主處理器融合了微控制器的基本功能，如集成向量控制器(NVIC)、低功耗模式、低成本調(diào)試和易用性,以及高性能數(shù)字信號(hào)處理功能，如單指令周期MAC、單指令多數(shù)據(jù)(SIMD)技術(shù)、飽和算法、浮點(diǎn)運(yùn)算單元。M0作為協(xié)處理器用來分擔(dān)M4的大量數(shù)據(jù)傳輸與I/O控制任務(wù)，減小M4帶寬占用，使得M4可以全力處理數(shù)字信號(hào)控制應(yīng)用中的數(shù)學(xué)計(jì)算[1]。

LPC4320異構(gòu)雙核數(shù)字信號(hào)處理器的獨(dú)特之處在于其片內(nèi)集成了M4與M0，并為兩者開辟了共享的存儲(chǔ)空間及中斷，可以實(shí)現(xiàn)無縫連接[2]?；诖思軜?gòu)，M4作為主處理器可以運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)各種傳感器的信號(hào)采集、處理、基于數(shù)字信號(hào)控制的數(shù)學(xué)運(yùn)算等任務(wù)，并負(fù)責(zé)對(duì)M0處理器的控制與初始化工作；M0作為協(xié)處理器，同樣可以運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)，在M4主處理器的控制下負(fù)責(zé)完成通信、I/O控制，數(shù)據(jù)搬運(yùn)、存儲(chǔ)及人機(jī)交互控制等任務(wù)。以上M4與M0可以單獨(dú)運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)多任務(wù)同時(shí)運(yùn)行，提高系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性及吞吐量。

LPC4320不僅具備雙核處理器的優(yōu)勢(shì)，還具有CAN總線、UART等通信接口以及ADC、GPIO等豐富的外設(shè)。綜合考慮硬件性能與軟件開發(fā)的難度，筆者決定以LPC4320為核心開發(fā)新一代液壓支架控制器[2]。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 工作面系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)支架的控制，我們?cè)诿颗_(tái)支架上安裝一個(gè)支架控制單元，每個(gè)支架控制單元由支架控制器、電磁閥驅(qū)動(dòng)器、壓力傳感器、行程傳感器、紅外線接收器、接近傳感器、姿態(tài)傳感器等組成。支架控制單元間通過架間電纜相連接，輔以隔爆兼本安型穩(wěn)壓電源、隔離耦合器等組成工作面的支架電液控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 工作面電液控系統(tǒng)方案

在工作面支架電液控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，工作面總線用于支架控制單元與順槽集控中心的通信，架間總線用于相鄰的支架控制單元間的通信，兩條總線通過軟件實(shí)現(xiàn)相互冗余。在支架控制單元中支架控制器是核心，實(shí)現(xiàn)支架操作、命令、數(shù)據(jù)傳輸及傳感器數(shù)據(jù)采集以及人機(jī)交互等功能，因此，本設(shè)計(jì)重點(diǎn)是支架控制器的軟、硬件設(shè)計(jì)。

2.2 支架控制器方案設(shè)計(jì)

支架控制器方案設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 支架控制器方案設(shè)計(jì)

在該設(shè)計(jì)中，LPC4320作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)控制的主控單元，采用1路CAN總線作為工作面通信的接口，2路UART總線作為左/右鄰架的通信接口，從而實(shí)現(xiàn)工作面通信與左/右鄰架通信的冗余設(shè)計(jì)；采用其ADC采集外部模擬量傳感器的數(shù)據(jù)，并預(yù)留1路UART總線來接入數(shù)字量傳感器；采用ZLG7290作為按鍵管理芯片，與LPC4320和I2C進(jìn)行接口；采用MAX7300作為I/O擴(kuò)展芯片，通過I2C與LPC4320實(shí)現(xiàn)多達(dá)24功能的電磁閥驅(qū)動(dòng)；同時(shí)還為系統(tǒng)擴(kuò)展了程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及顯示屏等模塊，來實(shí)現(xiàn)電液控系統(tǒng)運(yùn)行需要具備的人機(jī)交互、電磁閥控制、數(shù)據(jù)傳輸以及存儲(chǔ)等功能。

3 基于雙核通信的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 雙核通信的軟、硬件實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)M4與M0雙核間的通信，LPC4320基于兩者間的共享RAM與中斷，實(shí)現(xiàn)兩者間的中斷通知、數(shù)據(jù)傳遞。雙核間的通信原理如圖3所示。

圖3 雙核通信原理

M4與M0分別使用中斷來通知對(duì)方有新的事件到來，需要對(duì)方處理。M4使用命令緩存區(qū)向M0傳遞命令，M0使用消息緩存區(qū)向M4傳遞數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)兩者內(nèi)核間的高效通信[3]。

基于中斷及共享RAM的雙核間通信有以下3種方式：中斷機(jī)制、消息隊(duì)列機(jī)制和郵箱機(jī)制。中斷機(jī)制是最簡單的雙核通信方式，用于一個(gè)內(nèi)核向另一個(gè)內(nèi)核發(fā)送一個(gè)無關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的確認(rèn)信號(hào)[3]。消息隊(duì)列機(jī)制使用共享RAM中的兩塊區(qū)域，用來存儲(chǔ)一個(gè)內(nèi)核向另一個(gè)內(nèi)核發(fā)送的消息。其中命令緩存區(qū)用于M4向M0發(fā)送命令，消息緩存區(qū)用于M0向M4回發(fā)消息[3]。消息郵箱機(jī)制在共享RAM中使用了占位符，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)送方直接將消息放置到接收方的共享RAM中，這樣M4和M0都可以向?qū)Ψ桨l(fā)送消息[3]。

3.2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

由于支架控制器需要實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集與處理、左/右鄰架通信傳輸、工作面通信、I/O端口控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、人機(jī)交互等功能，這就需要根據(jù)M4和M0處理器的特點(diǎn)合理進(jìn)行軟件功能的劃分，以實(shí)現(xiàn)支架控制器在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、人機(jī)交互等工作的同時(shí)，進(jìn)行多種模擬、數(shù)字傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集、分析、處理，從而實(shí)現(xiàn)基于多種傳感器的支架數(shù)字信號(hào)控制功能。M4主機(jī)和M0從機(jī)軟件系統(tǒng)流程分別如圖4和圖5所示。

圖4 M4主機(jī)軟件系統(tǒng)流程

圖5 M0主機(jī)軟件系統(tǒng)流程

系統(tǒng)軟件架構(gòu)中，M4是主機(jī)，M0是從機(jī)。M4負(fù)責(zé)對(duì)M0進(jìn)行復(fù)位、程序加載等控制，運(yùn)行在M4上的軟件與運(yùn)行在M0上的軟件采用RPC(遠(yuǎn)程過程調(diào)用)機(jī)制進(jìn)行調(diào)用。M4只是將需要處理的數(shù)據(jù)等發(fā)送給M0，由M0來完成耗時(shí)較長的數(shù)據(jù)發(fā)送、存儲(chǔ)等處理；M0同步接收外部的通信和人機(jī)交互等耗時(shí)較長的事件，并將事件信息發(fā)送給M4；而諸如傳感器信息的數(shù)據(jù)采集與處理、支架姿態(tài)運(yùn)算控制等計(jì)算密集型任務(wù)在M4上運(yùn)行。這樣不同類型的任務(wù)在M4與M0上合理地分配，保證系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性與高效性[3-5]。

結(jié) 語

[1] 邵樂峰.Cortex-M4/M0雙核微控制器瞄更多新興應(yīng)用[EB/OL] . (2010-11-29)[2014-04-15]. http://www.ed-china.com/ART_8800039157_400005_500005_OT_94806ca3.HTM.

[2] NXP.LPC43xx ARM Cortex-M4/M0多核微處器用戶手冊(cè)[EB/OL]. (2012-02-01)[ 2014-04-15].http://www.nxp.com/search?q=um10503&type=keyword&rows=10.

[3] NXP.Inter Processor Communication on LPC43xx[EB/OL]. (2012-02-01)[ 2014-04-15].http://www.nxp.com/search?q=an11177&type=keyword&rows=10.

[4] NXP公司.LPC43xx ARM Cortex-M4/M0 multi-core microcontroller[S/OL]. http://www.nxp.com/search?q=um10503&type=keyword&rows=10.

[5] 貞明電子公司.LPC4300雙核應(yīng)用手冊(cè)[EB/OL]. (2013-01-27)[ 2014-04-15] . http://download.csdn.net/download/dengxiaofeng2009/5881093.

李宗珠(工程師)，主要研究方向?yàn)槊旱V裝備自動(dòng)化與安全；趙廣會(huì)、張幸福(工程師)，主要研究方向?yàn)榫C采工作面自動(dòng)化技術(shù)與裝備。

編者按： 物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)今嵌入式系統(tǒng)最活躍的應(yīng)用之一，許多傳統(tǒng)的單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者正在設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，高校也開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的課程。本刊已經(jīng)刊登過一些從芯片和應(yīng)用角度討論物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)方面的文章。這次我們從國外精選了6篇物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)方面的文章：物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和局域網(wǎng)、嵌入式計(jì)算設(shè)備、互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議、云計(jì)算在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式操作系統(tǒng)和基于嵌入式操作系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)安全。這些文章從嵌入式系統(tǒng)(軟件)視角看物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，文章的兩位作者——Micrium 公司的Christian Legare和Rownbot公司的kim Rowe都是嵌入式軟件專家。其中，Christian是《嵌入式協(xié)議棧Μc/TCP-IP》一書的作者。來自北京麥克泰軟件公司的3位譯者都具有豐富的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。我們忠心希望這組譯文能給讀者帶來啟迪和幫助。

Application of Dual-core Processor of LPC4320 in Support Electro-hydraulic Control System

Li Zongzhu，Zhao Guanghui，Zhang Xingfu

(1.NeiMenggu ShangHaimiao Mine Co.，Ltd., Wuhai 016200,China;2.Zhengzhou CoalMine Machinery Group Co., Ltd.)

With the rapid development of coal mine automation and intelligent coal mine, working face support electro-hydraulic control system needs more functions. In order to meet the demands of support electro-hydraulic control system in real-time attitude control, real-time data transmission and system linkage of working face coal-winning machine,shearer scraper conveyor and video surveillance system,a new support controller is designed based on heterogeneous dual-core processor LPC4320.Its powerful data processing ability can satisfy the demands of real-time signal acquisition and processing of multi-channel sensors,and support control based on digital signals.At the same time,its powerful control ability can realize the functions such as support remote control, automatic control and the linkage control of multiple equipments.

coal mine automation; support electro-hydraulic control system; support controller; heterogeneous dual-core processor

TP23

A

2014-04-11)