段曉曼

摘 要 本文針對固定貨柜庫位狀態(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)，以實現(xiàn)對文件柜狀態(tài)的實時采集和監(jiān)控。本系統(tǒng)具有結構簡單，穩(wěn)定性高，成本較低的特點。本系統(tǒng)包括庫位狀態(tài)采集、數(shù)據(jù)傳送、ModBus通信等各部分組成。

【關鍵詞】AVR 狀態(tài)檢測 ModBus通信

隨著信息社會的發(fā)展，信息資料的存儲呈現(xiàn)出多量化、密集化的發(fā)展趨勢，信息管理的高效性和實時性越來越引起人們的關注。本發(fā)明涉及一種多點狀態(tài)檢測技術，ModBus通訊技術等，設備用于政府工作部門、企事業(yè)單位、檔案館等機構的檔案管理室和固定庫位的小型庫房。

1 研究背景

現(xiàn)有產(chǎn)品的狀態(tài)采集技術多用傳感器采集模塊直接將數(shù)據(jù)送入單片機中，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)品使用的單片機多為STC52單片機，其通訊速率已經(jīng)很難完成大量檔案柜的實時監(jiān)測功能。

2 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)使用紅外傳感器檢測密集文件柜的狀態(tài)，利用AVR單片機完成對文件柜狀態(tài)的采集，然后通過RS485總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，對單一文件柜而言，有檔案放置時，相應LED指示燈為綠色；無檔案放置時，相應LED為紅色。每個文件柜都會根據(jù)文件的不同進行命名，并在上位機標明。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。

3 系統(tǒng)的硬件設計

3.1 最小系統(tǒng)板的設計

Atmega128是一款高性能、低功耗的新型單片機，具有53個可編程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，具有高速的反應速度，豐富的內(nèi)部資源等特點。最高數(shù)速率達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)的設計要求。

3.2 采集電路的設計

本系統(tǒng)設計出矩陣掃描式采集電路，解決了傳統(tǒng)設計因狀態(tài)變量過多而導致的“硬件設計難”的問題。傳統(tǒng)設計直接將文件柜的狀態(tài)輸入單片機IO口，一片單片機很難滿足大量文件柜的采集，本產(chǎn)品設計矩陣掃描式采集電路，只需16位輸入和16位輸出共32個IO口就能對256個狀態(tài)進行采集。

3.3 光電隔離電路設計

在實際工程當中，由于所處的環(huán)境的不同，干擾對于系統(tǒng)的影響也有很大的差別。在距離工廠、學校等較近的地方，噪音可能會對系統(tǒng)的準確性產(chǎn)生較大干擾，使單片機采集的數(shù)據(jù)與實際產(chǎn)生較大差異，甚至會影響單片機系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

針對上訴問題本系統(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行光電隔離，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，提高了采集數(shù)據(jù)的準確性。同時，在io輸出端的光耦后增加了一個s8550三極管，有效地提高了電路輸出端的驅(qū)動能力。

4 系統(tǒng)的軟件設計

4.1 單片機主程序設計

AVR單片機上電工作以后首先進行設備的初始化，包括端口初始化、波特率設置、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16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、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，本次設計采用ModBus RTU通訊協(xié)議。下面就ModBus RTU協(xié)議簡要介紹如下：

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字節(jié)。這個字節(jié)表明由用戶設定地址碼的從機將接收由主機發(fā)送來的信息。并且每個從機都有具有唯一的地址碼，并且響應回送均以各自的地址碼開始。主機發(fā)送的地址碼表明將發(fā)送到的從機地址，而從機發(fā)送的地址碼表明回送的從機地址。功能碼：通訊傳送的第二個字節(jié)。ModBus通訊規(guī)約定義功能號為1到127。本儀表只利用其中的一部分功能碼。作為主機請求發(fā)送，通過功能碼告訴從機執(zhí)行什么動作。作為從機響應，從機發(fā)送的功能碼與從主機發(fā)送來的功能碼一樣，并表明從機已響應主機進行操作。如果從機發(fā)送的功能碼的最高位為1（比如功能碼大與此同時127），則表明從機沒有響應操作或發(fā)送出錯。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)可以是實際數(shù)值、設置點、主機發(fā)送給從機或從機發(fā)送給主機的地址。CRC碼：二字節(jié)的錯誤檢測碼。

4.2.3 通訊規(guī)約

當通訊命令發(fā)送至儀器時，符合相應地址碼的設備接通訊命令，并除去地址碼，讀取信息，如果沒有出錯，則執(zhí)行相應的任務；然后把執(zhí)行結果返送給發(fā)送者。返送的信息中包括地址碼、執(zhí)行動作的功能碼、執(zhí)行動作后結果的數(shù)據(jù)以及錯誤校驗碼。如果出錯就不發(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。這個字節(jié)表明由用戶設置地址的從機將接收由主機發(fā)送來的信息。每個從機都必須有唯一的地址碼，并且只有符合地址碼的從機才能響應回送。當從機回送信息時，相當?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)包含需要從機執(zhí)行什么動作或由從機采集的返送信息。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度。

5 上位機軟件的設計

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，本設計中使用KingView對監(jiān)控界面進行設計。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16個子界面組成：將256個文件柜進行編號，分成16組，每組有16個文件柜。主界面有16組子界面圖標構成，在每個子界面中，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 結束語

本文立足于檔案館文件管理實際，自主設計了對大量文件柜的狀態(tài)采集、數(shù)據(jù)傳輸以及實時顯示的監(jiān)測系統(tǒng)，創(chuàng)造性的設計了大量開關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，可廣泛應用于檔案館、圖書館、公司資料存儲室等場所，具有一定的市場推廣潛力。

參考文獻

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

[2]胡漢才.高檔AVR單片機原理及應用[M].北京：清華大學出版社，2008.

作者單位

中南民族大學 湖北省武漢市 430074