摘要：長(zhǎng)期以來(lái)煙草稱重定級(jí)系統(tǒng)自動(dòng)化程度不高引起了相當(dāng)多的關(guān)注，因此設(shè)計(jì)了一款新型的煙草稱重讀卡定級(jí)器來(lái)解決這一問(wèn)題。該煙草稱重讀卡定級(jí)器采用ARM最新一代Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103VC為主控制器，并將嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)μC／OS-II引入系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分。本設(shè)計(jì)極大提高了煙草定級(jí)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，同時(shí)又增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與可靠性。目前，本煙草稱重讀卡定級(jí)器已成功運(yùn)用于某煙草定級(jí)系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞：STM32F103VC：μC／OS-Ⅱ；任務(wù)調(diào)度

0 引言
    在傳統(tǒng)的煙草收購(gòu)系統(tǒng)中，煙葉分揀、稱重、定級(jí)都是依靠人工完成的，由于人工操作效率低下以及人力成本的逐年提高，近年來(lái)國(guó)內(nèi)的煙草收購(gòu)站陸續(xù)引入了自動(dòng)化設(shè)備。例如煙農(nóng)信息由IC卡感應(yīng)器獲取，煙葉的稱重與打包由原煙打包機(jī)完成，定級(jí)由專門(mén)的定級(jí)器完成，煙葉數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與處理由獨(dú)立的電腦管理。但這些自動(dòng)化設(shè)備往往是離散的，在完成稱重、定級(jí)等基本功能的同時(shí)也給管理帶來(lái)巨大困難。如何將稱重、定級(jí)、分揀自動(dòng)化設(shè)備的功能整合在一起，如何真正實(shí)現(xiàn)煙草稱重定級(jí)統(tǒng)的智能化控制，已經(jīng)成為煙草行業(yè)所要面臨的重要問(wèn)題。
    本文提出了一種全新的煙草稱重定級(jí)智能控制的解決方案，此方案采用嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，硬件部分采用ARM最新一代Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103VC為主控制器，配合外圍電路工作，軟件部分引入實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)μC／OS-II，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的并行運(yùn)行，不僅實(shí)現(xiàn)了煙草稱重、讀卡、定級(jí)功能的三合為一，又進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能概述
    煙草稱重讀卡定級(jí)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由RFID讀卡模塊、煙草稱重讀卡定級(jí)器以及機(jī)械傳動(dòng)部分組成。煙草稱重讀卡定級(jí)器具有讀卡控制、煙草定級(jí)、重量鎖定、電子標(biāo)簽讀寫(xiě)、記錄保存查詢等一系列功能。若干臺(tái)煙草稱重讀卡定級(jí)器可通過(guò)RS485總線連接組成網(wǎng)絡(luò)，與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

    系統(tǒng)啟動(dòng)后，貼有電子標(biāo)簽的煙葉筐通過(guò)傳送帶送到指定位置，傳動(dòng)帶停止，煙草稱重讀卡定級(jí)器顯示當(dāng)前煙葉重量，并控制讀卡模塊中的RFID讀卡器發(fā)出一特定頻率的無(wú)線電波，煙葉筐上的電子標(biāo)簽接收電波，將標(biāo)簽內(nèi)的初始數(shù)據(jù)(煙農(nóng)信息、煙葉產(chǎn)地、采摘時(shí)間等)發(fā)送給讀卡器，此時(shí)，煙草稱重讀卡定級(jí)器將獲取的重量信息、煙葉信息傳送至上位機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)。定級(jí)員根據(jù)煙草的各項(xiàng)指標(biāo)確定煙葉等級(jí)，選擇煙草稱重讀卡定級(jí)器上相應(yīng)的等級(jí)按鈕，將等級(jí)信息傳至上位機(jī)中，完成煙葉的定級(jí)等功能。同時(shí)通過(guò)電子大顯示屏與喇叭播報(bào)此筐煙葉的等級(jí)和總量等信息，向煙農(nóng)展示煙葉收購(gòu)信息。

2 硬件設(shè)計(jì)方案
    煙草稱重讀卡定級(jí)器以微控制器STM32F103VC為核心，并在其周圍擴(kuò)展外設(shè)構(gòu)成系統(tǒng)。微控制器STM32F103VC使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(高達(dá)128k字節(jié)的閃存和20k字節(jié)的SRAM)，具有豐富的硬件接口資源，以其為中心構(gòu)建的煙草稱重讀卡定級(jí)器硬件框圖如圖2所示。

2．1 A／D轉(zhuǎn)換部分
    煙葉筐放置到秤臺(tái)上后，秤臺(tái)上的電阻應(yīng)變式傳感器將重量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，該電壓信號(hào)傳送給CS5532完成A／D轉(zhuǎn)換。CS5532芯片是美國(guó)Cirrus Logic公司推出的一種具有極低噪音的、多通道△-∑型ADC，可達(dá)到24位分辨率的輸出結(jié)果，精度高、動(dòng)態(tài)特性寬。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)從CS5532的同步串行接口輸出至微控制器STM32F103VC，同時(shí)可在240×64點(diǎn)陣式液晶顯示器上顯示當(dāng)前煙草的重量。
2．2 讀卡處理部分
    系統(tǒng)采用FNUHFD2180讀卡器進(jìn)行RFID數(shù)據(jù)采集，該讀卡器可對(duì)符合ISO18000-6C協(xié)議的電子標(biāo)簽進(jìn)行讀寫(xiě)。讀卡器通過(guò)UART2與煙草稱重讀卡定級(jí)器通訊，煙草稱重讀卡定級(jí)器控制讀卡器發(fā)射一特定頻率的無(wú)線電波能量給煙葉框上的電子標(biāo)簽，用以驅(qū)動(dòng)標(biāo)簽電路將內(nèi)部的數(shù)據(jù)送出，讀卡器依序接收解讀數(shù)據(jù)，送至煙草稱重讀卡定級(jí)器進(jìn)行相關(guān)處理。
2．3 串行通訊部分
    STM32F103VC利用串行口與外圍設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，其中與上位計(jì)算機(jī)通訊使用UART1，串行數(shù)據(jù)通訊格式采用波特率9600b／s；1位起始位8位數(shù)據(jù)位，無(wú)校驗(yàn)，1位停止位。根據(jù)程序里預(yù)先定義好的協(xié)議，上位計(jì)算機(jī)與控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。控制器與讀卡器通訊使用UART2，與LCD顯示屏通訊使用UART3。
2．4 存儲(chǔ)部分
    存儲(chǔ)部分采用鐵電存儲(chǔ)器M31256，該存儲(chǔ)芯片具有非易失性、讀卡速度快以及讀寫(xiě)功耗極低等諸多優(yōu)點(diǎn)，提供256kb的存儲(chǔ)空間。FM31 256采用I2C總線形式與STM32F103VC通信，芯片上的時(shí)鐘線SCL、數(shù)據(jù)線SDA與STM32F103VC上的I2C接口相連，嚴(yán)格按照I2C總線協(xié)議進(jìn)行命令寫(xiě)入與數(shù)據(jù)交換。

3 管理軟件設(shè)計(jì)
    煙草稱重讀卡定級(jí)器的軟件設(shè)計(jì)引入嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-II，μC／OS-II是一種基于優(yōu)先級(jí)的搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，包含了實(shí)時(shí)內(nèi)核、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信同步(信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列)和內(nèi)存管理等功能。操作系統(tǒng)內(nèi)核的主要工作是對(duì)任務(wù)(ta sk)進(jìn)行管理和調(diào)度。操作系統(tǒng)將整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)程序分解為多個(gè)小任務(wù)，系統(tǒng)并發(fā)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)，從而提高處理器的利用率，加快程序的執(zhí)行速度，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)。
3．1 任務(wù)劃分與設(shè)計(jì)
    根據(jù)煙草稱重讀卡定級(jí)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，考慮系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、可靠性的要求，進(jìn)行任務(wù)的劃分并創(chuàng)建任務(wù)，按其優(yōu)先級(jí)從高到低分別是初始化任務(wù)、鍵盤(pán)掃描任務(wù)、ADC任務(wù)、主串口通訊任務(wù)、讀卡串口任務(wù)、空閑任務(wù)。每個(gè)任務(wù)在4種不同的狀態(tài)中轉(zhuǎn)換：休眠態(tài)、就緒態(tài)、掛起態(tài)和運(yùn)行態(tài)。在運(yùn)行狀態(tài)下，還可能由于發(fā)生中斷而轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)子程序。任務(wù)管理函數(shù)的調(diào)用將引起各任務(wù)狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。

    系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先進(jìn)行嵌入式處理器與外設(shè)的初始化，完成系統(tǒng)時(shí)鐘、GPIO口以及中斷相關(guān)參數(shù)的配置。系統(tǒng)使用外部中斷2讀取A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，定時(shí)器中斷2為μC／OS-II系統(tǒng)提供時(shí)鐘節(jié)拍，串行口中斷1用于上位機(jī)通訊，串行口中斷2用于讀卡器通訊。然后是初始化μC／OS-II操作系統(tǒng)，同時(shí)液晶顯示開(kāi)始畫(huà)面。接著創(chuàng)建初始化任務(wù)，完成應(yīng)用任務(wù)(包括鍵盤(pán)掃描任務(wù)、ADC任務(wù)、主串口通訊任務(wù)、讀卡串口任務(wù))以及空閑任務(wù)的創(chuàng)建，信號(hào)量與互斥量的創(chuàng)建，郵箱消息的建立，窗口看門(mén)狗初始化。最后啟動(dòng)多任務(wù)，此時(shí)，任務(wù)交由操作系統(tǒng)管理與調(diào)度。
    程序代碼大體如下所示：

3．2 任務(wù)調(diào)度與實(shí)現(xiàn)
    嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-II任務(wù)的調(diào)度由任務(wù)調(diào)度器控制，任務(wù)調(diào)度器的主要工作有兩項(xiàng)：一是在任務(wù)就緒表中查找具有最高優(yōu)先級(jí)的就緒任務(wù)；二是實(shí)現(xiàn)任務(wù)的切換。
    本系統(tǒng)啟動(dòng)多任務(wù)后，所有應(yīng)用任務(wù)都處于就緒狀態(tài)，并在任務(wù)就緒表中登記。任務(wù)調(diào)度器選擇當(dāng)前優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)開(kāi)始執(zhí)行。以鍵盤(pán)掃描任務(wù)為例，鍵盤(pán)被設(shè)定為150ms掃描一次，若有鍵盤(pán)按下，進(jìn)行鍵處理，若無(wú)鍵按下，繼續(xù)掃描。在150ms延時(shí)的過(guò)程中，鍵盤(pán)掃描任務(wù)交出CPU使用權(quán)，由調(diào)度器查詢剩下就緒狀態(tài)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，選擇當(dāng)前優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)開(kāi)始執(zhí)行。150ms延時(shí)結(jié)束，若無(wú)更高級(jí)的任務(wù)就緒，程序?qū)⒒氐芥I盤(pán)掃描任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行。CPU在不同任務(wù)之間輪換，保證近似每時(shí)每刻讓優(yōu)先級(jí)最高的就緒任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)。
    在μC／OS-II操作系統(tǒng)中，某些任務(wù)需要特定的信號(hào)量，任務(wù)只有取得相應(yīng)的信號(hào)量才能繼續(xù)執(zhí)行下去。例如，ADC任務(wù)必須等待A／D轉(zhuǎn)換完成信號(hào)量ADCSem就緒方能執(zhí)行，因此，當(dāng)ADC任務(wù)得到CPU使用權(quán)時(shí)，若該信號(hào)量未能就緒，則該任務(wù)掛起，并交出CPU控制權(quán)。若該信號(hào)量就緒，則執(zhí)行任務(wù)。
    在任何時(shí)刻，若有中斷發(fā)生，系統(tǒng)將當(dāng)前任務(wù)掛起，轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷服務(wù)子程序(ISR)。以串口中斷1(上位機(jī)通訊)為例，當(dāng)串口中斷發(fā)生時(shí)，意味著上位機(jī)有命令要發(fā)送給控制器，系統(tǒng)將中斷當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)，轉(zhuǎn)入串口中斷1服務(wù)程序執(zhí)行。在中斷程序中，系統(tǒng)先判斷是發(fā)送中斷還是接收中斷，然后進(jìn)行相應(yīng)的處理。
    程序代碼大體如下所示：

    上位機(jī)通訊中斷程序執(zhí)行完畢后，調(diào)度器查詢當(dāng)前就緒任務(wù)，若無(wú)更高級(jí)的任務(wù)就緒，程序?qū)⒒氐綌帱c(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行原先被中斷的任務(wù)。若有更高級(jí)的任務(wù)就緒，系統(tǒng)轉(zhuǎn)而執(zhí)行優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)。

4 結(jié)語(yǔ)
    本系統(tǒng)將煙葉收購(gòu)過(guò)程中煙農(nóng)信息采集、煙葉自動(dòng)過(guò)磅、煙葉等級(jí)設(shè)置、煙葉數(shù)據(jù)處理整合在一起，真正實(shí)現(xiàn)了煙草收購(gòu)的智能化管理，在保證收購(gòu)質(zhì)量的同時(shí)極大地提高了收購(gòu)速度，縮短了收購(gòu)周期，降低了收購(gòu)成本。本文介紹的煙草稱重讀卡定級(jí)器先后在各地的基層煙站進(jìn)行推廣實(shí)施，實(shí)踐證明，本煙草稱重讀卡定級(jí)器精度高、實(shí)時(shí)性好、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，可以在同類行業(yè)中推廣應(yīng)用。