引言
隨著嵌入式技術的不斷發展，高性能、低功耗、低價格的32位RISC芯片的ARM微控制器呈現出強勁的發展趨勢，嵌入式系統和現場總線技術結合，結合二者的優點，為傳統的選煤技術提供了新的改造方案。將嵌入式技術和現場總線技術相互融合，設計了一種新的煤塊和矸石在線識別與自動分選系統。
煤矸石在線識別與自動分選系統
煤塊和矸石在線識別與自動分選系統的原理框圖如圖1所示。根據選煤工藝要求，本系統主要由下面三大部分構成：
圖1 煤矸石在線自動分選系統框圖
(1)檢測部分：由進料斗、輸送帶、CCD攝像頭、圖像數據采集電路等組成。開采出來的原煤常含有矸石，必須將矸石從傳送帶上挑選出來。CCD攝像頭將煤與矸石圖像送圖像數據采集電路進行轉換，轉換后的信息送入ARM微控制器，通過CAN總線網絡傳送到PC機進行處理。
(2)識別與控制部分：由計算機、ARM微控制器和測控設備組成，它是整個系統的核心。根據模式識別算法計算出煤和矸石的灰分含量，ARM微控制器識別和判斷出煤矸石后，完成控制動作。如果判斷為煤，控制部分不動作，原煤自然落入煤料斗，從煤塊通道運走。如果判斷為矸石
，發出控制信號，打開閥門，使矸石落入矸石通道。
(3)分揀機構：由閥門、物料斗和系統供電設備等組成，通過CAN總線網絡，完成多個通道的煤和矸石的自動分選和運輸。
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)體系結構，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在內的各種片外存儲器，8個優先級的中斷向量控制器和片內外圍數據控制器顯著提高了器件的實時性能。AT91M40800集成了ARM7DMIARMThumb處理器內核，提供了8kB的片內SRAM，8個片選線，32個可編程I/O口，軟件可編程的8位或16位的數據總線，最大可尋址空間64MB，兩個USART，每個USART有兩個專用的外圍數據控制器通道，內置可編程的看門狗定時器，8個具有優先級、可單獨屏蔽的向量中斷控制器，4個外部中斷控制寄存器，4個外部中斷，包括一個高優先級、低延遲的中斷請求，3個外部時鐘輸入，3通道16位定時器/計數器。
SJA1000
由于煤倉、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。而現場總線技術可以把單個分散的測量控制設備變成網絡節點，以總線為紐帶，把它們連接成可以相互溝通信息、共同完成自動控制任務的網絡系統與控制系統。CAN通信速率最高可達1Mbps，直接傳輸距離最遠可達10km(速率5kbps以下)，可掛接設備最多達110個，可以完成多通道同時分選和運輸任務。SJA1000是Philips公司生產的獨立型CAN總線控制器，用于汽車和一般工業環境中的控制器局域網絡，它是Philips公司半導體PCA82C200CAN控制器(BasicCAN)的替代產品，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控制網絡。
硬件接口電路設計
圖2 是SJA1000收發器與AT91M40800芯片的接口電路原理圖。
圖2 SJA1000與AT91M40800接口電路原理圖
EPM7128用來完成接口間信號的轉換與配置，EPM7128的輸入來自AT91M40800的片選信號NCS2，數據線D0～D7，地址A0～A1，讀信號NRD，寫信號NWE和系統復位信號RST，經過內部的邏輯綜合處理，產生SJA1000所需的功能信號。根據各芯片信號線的要求及端口地址的分配，可以寫出CAN總線收發器的輸入/輸出邏輯關系表達式如下：
選定SJA1000的地址端口為400000H，數據端口的地址為400001H和復位端口地址為400002H。由于CAN控制器SJA1000的地址數據是復用的，通過ALE信號下降沿可以鎖存總線上的地址信號。但是AT91M40800的地址總線和數據總線是單獨提供的，不能直接與SJA1000的地址數據總線相連。所以要解決SJA1000與AT91M40800的接口問題，關鍵在于如何將訪問SJA1000所需的信號送入其中。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，片選沒有選通，數據鎖存在AD0～AD7總線上。第二次訪問數據端口400001H時，SJA1000被選中，在ALE信號作用下將第一次的地址值寫入SJA1000，CPU對SJA1000進行讀/寫操作。復位可以分為系統復位和程序復位兩種。系統復位信號RST和程序復位信號在EPM7128中進行邏輯或操作，兩者之一有效均可使SJA1000可靠的復位。
為了保證數據通信的可靠性，在CAN總線終端各連接一個120Ω的終端反射電阻，進行總線阻抗匹配。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，環境干擾較小，可以不采用光電隔離電路6N137，這時，可以將82C251的VREF直接與RX1引腳相連，從而簡化了電路。
ARM微控制器與CAN總線的數據通信
AT91M40800通過外部總線接口(EBI)產生訪問片外存儲器和外部器件的信號，EBI支持不同的訪問協議，可實現對外部器件的單周期訪問，設計中EBI的設置為：(1)選擇8位數據總線 ；(2)選擇標準讀協議 ；(3)選擇8個周期的等待時間 ；(4)片選線NCS2的基地址為400000H。所有程序均采用AT91庫的C語言編寫，它具有可讀性強、容易移植、開發簡單、調試方便等優點。正確的初始化是程序正常運行的基礎，系統的初始化主要是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
結論
采用ARM微控制器的AT91M40800芯片和CAN總線控制器SJA1000構成的煤矸石在線識別與自動分選系統，跟傳統的MCU作為控制的CAN總線網絡相比，是一種新穎的CAN總線網絡系統。基于ARM微控制器的嵌入式系統與CAN總線的處理系統具有良好的實時性、可靠性和靈活性，為落后的選煤技術提供了一種新方法。