引言
隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展,，高性能、低功耗,、低價(jià)格的32位RISC芯片的ARM微控制器呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展趨勢(shì),，嵌入式系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)結(jié)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn),，為傳統(tǒng)的選煤技術(shù)提供了新的改造方案,。將嵌入式技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)相互融合，設(shè)計(jì)了一種新的煤塊和矸石在線識(shí)別與自動(dòng)分選系統(tǒng),。
煤矸石在線識(shí)別與自動(dòng)分選系統(tǒng)
煤塊和矸石在線識(shí)別與自動(dòng)分選系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示,。根據(jù)選煤工藝要求，本系統(tǒng)主要由下面三大部分構(gòu)成：
圖1 煤矸石在線自動(dòng)分選系統(tǒng)框圖
(1)檢測(cè)部分：由進(jìn)料斗、輸送帶,、CCD攝像頭,、圖像數(shù)據(jù)采集電路等組成,。開采出來(lái)的原煤常含有矸石,，必須將矸石從傳送帶上挑選出來(lái)。CCD攝像頭將煤與矸石圖像送圖像數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換,，轉(zhuǎn)換后的信息送入ARM微控制器,，通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)傳送到PC機(jī)進(jìn)行處理。
(2)識(shí)別與控制部分：由計(jì)算機(jī),、ARM微控制器和測(cè)控設(shè)備組成,，它是整個(gè)系統(tǒng)的核心。根據(jù)模式識(shí)別算法計(jì)算出煤和矸石的灰分含量,，ARM微控制器識(shí)別和判斷出煤矸石后,，完成控制動(dòng)作。如果判斷為煤,，控制部分不動(dòng)作,，原煤自然落入煤料斗，從煤塊通道運(yùn)走,。如果判斷為矸石
,，發(fā)出控制信號(hào)，打開閥門,，使矸石落入矸石通道,。
(3)分揀機(jī)構(gòu)：由閥門、物料斗和系統(tǒng)供電設(shè)備等組成,，通過CAN總線網(wǎng)絡(luò),，完成多個(gè)通道的煤和矸石的自動(dòng)分選和運(yùn)輸。
芯片介紹
AT91M40800
AT91M40800是ATMEL公司基于ARM7TDMI核的16位/32位微控制器系列中具有較高性價(jià)比的一款芯片,，其核心為高性能的32位RISC(Reduced Intro-duction Set Computer)體系結(jié)構(gòu),，并具有16位(thumb)指令集。通過可編程的外部總線接口(EBI)直接連接到包括FLASH在內(nèi)的各種片外存儲(chǔ)器,，8個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷向量控制器和片內(nèi)外圍數(shù)據(jù)控制器顯著提高了器件的實(shí)時(shí)性能,。AT91M40800集成了ARM7DMIARMThumb處理器內(nèi)核，提供了8kB的片內(nèi)SRAM,，8個(gè)片選線,，32個(gè)可編程I/O口，軟件可編程的8位或16位的數(shù)據(jù)總線,，最大可尋址空間64MB,，兩個(gè)USART，每個(gè)USART有兩個(gè)專用的外圍數(shù)據(jù)控制器通道，內(nèi)置可編程的看門狗定時(shí)器,，8個(gè)具有優(yōu)先級(jí),、可單獨(dú)屏蔽的向量中斷控制器，4個(gè)外部中斷控制寄存器,，4個(gè)外部中斷,，包括一個(gè)高優(yōu)先級(jí)、低延遲的中斷請(qǐng)求,，3個(gè)外部時(shí)鐘輸入,，3通道16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。
SJA1000
由于煤倉(cāng),、矸石山與分選車間各自有一定距離,，需要集中管理和信息處理。而現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)可以把單個(gè)分散的測(cè)量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),，以總線為紐帶,，把它們連接成可以相互溝通信息、共同完成自動(dòng)控制任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng),。CAN通信速率最高可達(dá)1Mbps,，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km(速率5kbps以下)，可掛接設(shè)備最多達(dá)110個(gè),，可以完成多通道同時(shí)分選和運(yùn)輸任務(wù),。SJA1000是Philips公司生產(chǎn)的獨(dú)立型CAN總線控制器，用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境中的控制器局域網(wǎng)絡(luò),，它是Philips公司半導(dǎo)體PCA82C200CAN控制器(BasicCAN)的替代產(chǎn)品,，增加了新的工作模式(PeliCAN模式)，可以方便的和不同模式的處理器相連接,，組成CAN控制網(wǎng)絡(luò),。
硬件接口電路設(shè)計(jì)
圖2 是SJA1000收發(fā)器與AT91M40800芯片的接口電路原理圖。
圖2 SJA1000與AT91M40800接口電路原理圖
EPM7128用來(lái)完成接口間信號(hào)的轉(zhuǎn)換與配置,，EPM7128的輸入來(lái)自AT91M40800的片選信號(hào)NCS2,，數(shù)據(jù)線D0～D7，地址A0～A1,，讀信號(hào)NRD,，寫信號(hào)NWE和系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)RST，經(jīng)過內(nèi)部的邏輯綜合處理,，產(chǎn)生SJA1000所需的功能信號(hào),。根據(jù)各芯片信號(hào)線的要求及端口地址的分配，可以寫出CAN總線收發(fā)器的輸入/輸出邏輯關(guān)系表達(dá)式如下：
選定SJA1000的地址端口為400000H,，數(shù)據(jù)端口的地址為400001H和復(fù)位端口地址為400002H,。由于CAN控制器SJA1000的地址數(shù)據(jù)是復(fù)用的,，通過ALE信號(hào)下降沿可以鎖存總線上的地址信號(hào)。但是AT91M40800的地址總線和數(shù)據(jù)總線是單獨(dú)提供的,，不能直接與SJA1000的地址數(shù)據(jù)總線相連,。所以要解決SJA1000與AT91M40800的接口問題，關(guān)鍵在于如何將訪問SJA1000所需的信號(hào)送入其中,。這里采用的辦法是分兩次I/O操作完成,，第一次往地址端口400000H送入地址值作為SJA1000的單元地址。此時(shí),，片選沒有選通,，數(shù)據(jù)鎖存在AD0～AD7總線上,。第二次訪問數(shù)據(jù)端口400001H時(shí),，SJA1000被選中，在ALE信號(hào)作用下將第一次的地址值寫入SJA1000,，CPU對(duì)SJA1000進(jìn)行讀/寫操作,。復(fù)位可以分為系統(tǒng)復(fù)位和程序復(fù)位兩種。系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)RST和程序復(fù)位信號(hào)在EPM7128中進(jìn)行邏輯或操作,，兩者之一有效均可使SJA1000可靠的復(fù)位,。
為了保證數(shù)據(jù)通信的可靠性，在CAN總線終端各連接一個(gè)120Ω的終端反射電阻,，進(jìn)行總線阻抗匹配,。SJA1000的TX1引腳通過10k8的電阻接地，RX1引腳電平必須維持在0.5Vcc以上,。否則,，不能形成CAN總線所需的邏輯電平。如果通信距離較近,，環(huán)境干擾較小,，可以不采用光電隔離電路6N137，這時(shí),，可以將82C251的VREF直接與RX1引腳相連,，從而簡(jiǎn)化了電路。
ARM微控制器與CAN總線的數(shù)據(jù)通信
AT91M40800通過外部總線接口(EBI)產(chǎn)生訪問片外存儲(chǔ)器和外部器件的信號(hào),，EBI支持不同的訪問協(xié)議,，可實(shí)現(xiàn)對(duì)外部器件的單周期訪問，設(shè)計(jì)中EBI的設(shè)置為：(1)選擇8位數(shù)據(jù)總線 ,；(2)選擇標(biāo)準(zhǔn)讀協(xié)議 ,；(3)選擇8個(gè)周期的等待時(shí)間 ；(4)片選線NCS2的基地址為400000H,。所有程序均采用AT91庫(kù)的C語(yǔ)言編寫,，它具有可讀性強(qiáng),、容易移植、開發(fā)簡(jiǎn)單,、調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn),。正確的初始化是程序正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，系統(tǒng)的初始化主要是AT91M40800微處理器和SJA1000的初始化(SJA1000工作晶振16M),，初始化流程如圖3所示,。
圖3 通信軟件初始化流程圖
結(jié)論
采用ARM微控制器的AT91M40800芯片和CAN總線控制器SJA1000構(gòu)成的煤矸石在線識(shí)別與自動(dòng)分選系統(tǒng)，跟傳統(tǒng)的MCU作為控制的CAN總線網(wǎng)絡(luò)相比,，是一種新穎的CAN總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),。基于ARM微控制器的嵌入式系統(tǒng)與CAN總線的處理系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性,、可靠性和靈活性,，為落后的選煤技術(shù)提供了一種新方法。