段曉曼

摘 要 本文針對(duì)固定貨柜庫(kù)位狀態(tài)采集問題，開發(fā)出以AVR為控制核心的狀態(tài)采集系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)文件柜狀態(tài)的實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控。本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，成本較低的特點(diǎn)。本系統(tǒng)包括庫(kù)位狀態(tài)采集、數(shù)據(jù)傳送、ModBus通信等各部分組成。

【關(guān)鍵詞】AVR 狀態(tài)檢測(cè) ModBus通信

隨著信息社會(huì)的發(fā)展，信息資料的存儲(chǔ)呈現(xiàn)出多量化、密集化的發(fā)展趨勢(shì)，信息管理的高效性和實(shí)時(shí)性越來越引起人們的關(guān)注。本發(fā)明涉及一種多點(diǎn)狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)，ModBus通訊技術(shù)等，設(shè)備用于政府工作部門、企事業(yè)單位、檔案館等機(jī)構(gòu)的檔案管理室和固定庫(kù)位的小型庫(kù)房。

1 研究背景

現(xiàn)有產(chǎn)品的狀態(tài)采集技術(shù)多用傳感器采集模塊直接將數(shù)據(jù)送入單片機(jī)中，在數(shù)據(jù)檔案多量化密集化的今天，這種已經(jīng)很難滿足檔案管理的需求。傳統(tǒng)產(chǎn)品使用的單片機(jī)多為STC52單片機(jī)，其通訊速率已經(jīng)很難完成大量檔案柜的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用紅外傳感器檢測(cè)密集文件柜的狀態(tài)，利用AVR單片機(jī)完成對(duì)文件柜狀態(tài)的采集，然后通過RS485總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，對(duì)單一文件柜而言，有檔案放置時(shí)，相應(yīng)LED指示燈為綠色；無檔案放置時(shí)，相應(yīng)LED為紅色。每個(gè)文件柜都會(huì)根據(jù)文件的不同進(jìn)行命名，并在上位機(jī)標(biāo)明。這樣不僅可以在監(jiān)控室遠(yuǎn)程查看文件柜的信息，而且可以在現(xiàn)場(chǎng)直接判斷文件柜的狀態(tài)，方便快捷實(shí)現(xiàn)文件的管理。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 最小系統(tǒng)板的設(shè)計(jì)

Atmega128是一款高性能、低功耗的新型單片機(jī)，具有53個(gè)可編程I/O端口，4KB片內(nèi)SRAM，128KB片內(nèi)可編程Flash，并內(nèi)置多種串行通信接口，具有高速的反應(yīng)速度，豐富的內(nèi)部資源等特點(diǎn)。最高數(shù)速率達(dá)1MIPS/M h，能有效減緩系統(tǒng)功耗和處理速度之間的矛盾。滿足該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

3.2 采集電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)出矩陣掃描式采集電路，解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)因狀態(tài)變量過多而導(dǎo)致的“硬件設(shè)計(jì)難”的問題。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)直接將文件柜的狀態(tài)輸入單片機(jī)IO口，一片單片機(jī)很難滿足大量文件柜的采集，本產(chǎn)品設(shè)計(jì)矩陣掃描式采集電路，只需16位輸入和16位輸出共32個(gè)IO口就能對(duì)256個(gè)狀態(tài)進(jìn)行采集。

3.3 光電隔離電路設(shè)計(jì)

在實(shí)際工程當(dāng)中，由于所處的環(huán)境的不同，干擾對(duì)于系統(tǒng)的影響也有很大的差別。在距離工廠、學(xué)校等較近的地方，噪音可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大干擾，使單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)與實(shí)際產(chǎn)生較大差異，甚至?xí)绊憜纹瑱C(jī)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

針對(duì)上訴問題本系統(tǒng)在16路io輸出端和16路io輸入端的每一路都使用光電耦合器進(jìn)行光電隔離，將外電路與單片機(jī)電路徹底隔離，使外電路的干擾在進(jìn)入單片機(jī)之前徹底消除，提高了采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，在io輸出端的光耦后增加了一個(gè)s8550三極管，有效地提高了電路輸出端的驅(qū)動(dòng)能力。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 單片機(jī)主程序設(shè)計(jì)

AVR單片機(jī)上電工作以后首先進(jìn)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(jìn)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(duì)16行的掃描后，進(jìn)入?yún)f(xié)議解析函數(shù)。然后在解析函數(shù)中會(huì)完成主機(jī)命令的解析、從機(jī)命令的回應(yīng)、上傳采集數(shù)據(jù)等工作。

4.2 ModBus通信協(xié)議

ModBus通訊協(xié)議分為RTU協(xié)議和ASCII協(xié)議，本次設(shè)計(jì)采用ModBus RTU通訊協(xié)議。下面就ModBus RTU協(xié)議簡(jiǎn)要介紹如下：

4.2.1 通訊協(xié)議

4.2.2 通訊傳送方式

通訊傳送分為獨(dú)立的信息頭，和發(fā)送的編碼數(shù)據(jù)。地址碼：地址碼為通訊傳送的第一個(gè)字節(jié)。這個(gè)字節(jié)表明由用戶設(shè)定地址碼的從機(jī)將接收由主機(jī)發(fā)送來的信息。并且每個(gè)從機(jī)都有具有唯一的地址碼，并且響應(yīng)回送均以各自的地址碼開始。主機(jī)發(fā)送的地址碼表明將發(fā)送到的從機(jī)地址，而從機(jī)發(fā)送的地址碼表明回送的從機(jī)地址。功能碼：通訊傳送的第二個(gè)字節(jié)。ModBus通訊規(guī)約定義功能號(hào)為1到127。本儀表只利用其中的一部分功能碼。作為主機(jī)請(qǐng)求發(fā)送，通過功能碼告訴從機(jī)執(zhí)行什么動(dòng)作。作為從機(jī)響應(yīng)，從機(jī)發(fā)送的功能碼與從主機(jī)發(fā)送來的功能碼一樣，并表明從機(jī)已響應(yīng)主機(jī)進(jìn)行操作。如果從機(jī)發(fā)送的功能碼的最高位為1（比如功能碼大與此同時(shí)127），則表明從機(jī)沒有響應(yīng)操作或發(fā)送出錯(cuò)。數(shù)據(jù)區(qū)：數(shù)據(jù)區(qū)是根據(jù)不同的功能碼而不同。數(shù)據(jù)區(qū)可以是實(shí)際數(shù)值、設(shè)置點(diǎn)、主機(jī)發(fā)送給從機(jī)或從機(jī)發(fā)送給主機(jī)的地址。CRC碼：二字節(jié)的錯(cuò)誤檢測(cè)碼。

4.2.3 通訊規(guī)約

當(dāng)通訊命令發(fā)送至儀器時(shí)，符合相應(yīng)地址碼的設(shè)備接通訊命令，并除去地址碼，讀取信息，如果沒有出錯(cuò)，則執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)；然后把執(zhí)行結(jié)果返送給發(fā)送者。返送的信息中包括地址碼、執(zhí)行動(dòng)作的功能碼、執(zhí)行動(dòng)作后結(jié)果的數(shù)據(jù)以及錯(cuò)誤校驗(yàn)碼。如果出錯(cuò)就不發(fā)送任何信息。

地址碼：地址碼是信息幀的第一字節(jié)（8位），從0到255。這個(gè)字節(jié)表明由用戶設(shè)置地址的從機(jī)將接收由主機(jī)發(fā)送來的信息。每個(gè)從機(jī)都必須有唯一的地址碼，并且只有符合地址碼的從機(jī)才能響應(yīng)回送。當(dāng)從機(jī)回送信息時(shí)，相當(dāng)?shù)牡刂反a表明該信息來自于何處。

數(shù)據(jù)區(qū)：數(shù)據(jù)區(qū)包含需要從機(jī)執(zhí)行什么動(dòng)作或由從機(jī)采集的返送信息。這些信息可以是數(shù)值、參考地址等等。例如，功能碼告訴從機(jī)讀取寄存器的值，則數(shù)據(jù)區(qū)必需包含要讀取寄存器的起始地址及讀取長(zhǎng)度。

5 上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

為了使工作人員在監(jiān)控界面上直觀的查看到各個(gè)柜子的狀態(tài)，上位機(jī)采用友好的人機(jī)交互界面，本設(shè)計(jì)中使用KingView對(duì)監(jiān)控界面進(jìn)行設(shè)計(jì)。為提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可視化程度，監(jiān)控界面由主界面和16個(gè)子界面組成：將256個(gè)文件柜進(jìn)行編號(hào)，分成16組，每組有16個(gè)文件柜。主界面有16組子界面圖標(biāo)構(gòu)成，在每個(gè)子界面中，文件柜狀態(tài)由指示燈顏色顯示，紅色表示有文件，綠色表示無文件。

6 結(jié)束語

本文立足于檔案館文件管理實(shí)際，自主設(shè)計(jì)了對(duì)大量文件柜的狀態(tài)采集、數(shù)據(jù)傳輸以及實(shí)時(shí)顯示的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)了大量開關(guān)量的矩陣式電路采集方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)密集文件柜的智能化、可視化管理，可廣泛應(yīng)用于檔案館、圖書館、公司資料存儲(chǔ)室等場(chǎng)所，具有一定的市場(chǎng)推廣潛力。

參考文獻(xiàn)

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

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

作者單位

中南民族大學(xué) 湖北省武漢市 430074