LPC4320双核处理器在支架电液控系统中的应用

摘要：随着煤矿自动化、智慧矿山的快速发展，工作面支架电液控系统的功能也更加复杂。为了满足支架电液控系统在实时姿态控制、数据传输以及与工作面采煤机、刮板机、视频监控等系统联动方面的要求，本文基于LPC4320异构双核处理器开发一种新型支架控制器。既有强大的数据处理能力，满足多通道传感器实时信号采集与处理以及基于数字信号的支架控制功能的需求，又具有强大的控制能力，实现支架远程控制、自动控制、多设备联动控制等功能。

引言

起源于国外的液压支架电液控系统在上世纪90年代引入国内，支架电液控系统以高产、高效、安全的特点在国内迅速得到了推广与应用。本世纪初，郑煤机、北京天玛等国内厂家在支架电液控系统领域相继取得关键突破，支架电液控系统在国内的发展进入了一个新阶段。国产电液控系统在继承进口电液控系统高产、高效、安全特点的同时，成本得到了大幅下降，进一步拉近了用户与支架电液控系统的距离。目前，数字化矿山、智慧矿山等研究的进一步深入，对综采工作面支架电液控系统的智能化和自动化程度均提出了更高的要求。支架电液控系统不仅要完成对支架的立柱下腔压力、推移行程、红外线接收器等常规传感器的实时数据采集，还要具备对姿态传感器、高度传感器、接近传感器等新型传感器的实时数据采集与处理;不仅要完成支架、采煤机、刮板机的三机联动自动割煤，还要具备与工作面视频系统、支架远程控制系统的联动与控制能力。综采工作面自动化需求的日益提高，要求支架电液控系统不仅要具有动作控制能力，还要具有大量数据的实时传输、各种传感器的数据采集与信号处理能力，而目前的51单片机、ARM7等微控制器很难同时满足高性能数字信号处理能力、大量数据传输与I/O控制的要求。NXP公司推出的LPC4320微控制器在单芯片内无缝集成了Cotex—M4与Cotex—M0两个处理器，能够很好地满足支架电液控系统对高性能数字信号处理与大量数据传输与I/O控制的要求。

1 LPC4320双核处理器

LPC4320是NXP公司针对数字信号控制推出的一款异构双核数字信号控制器(DSC)，其M4与M0内核运行速度均可达204 MHz，利用M4强大的数字信号能力与M0的控制能力，可以为DSP与MCU应用提供单一的架构与开发环境。在LPCA320芯片中，M4作为主处理器融合了微控制器的基本功能，如集成向量控制器(NVIC)、低功耗模式、低成本调试和易用性，以及高性能数字信号处理功能，如单指令周期MAC、单指令多数据(SI MI))技术、饱和算法、浮点运算单元。M0作为协处理器用来分担M4的大量数据传输与I/O控制任务，减小M4带宽占用，使得M4可以全力处理数字信号控制应用中的数学计算。

LPC4320异构双核数字信号处理器的独特之处在于其片内集成了M4与M0，并为两者开辟了共享的存储空间及中断，可以实现无缝连接。基于此架构，M4作为主处理器可以运行嵌入式操作系统，主要负责各种传感器的信号采集、处理、基于数字信号控制的数学运算等任务，并负责对M0处理器的控制与初始化工作;M0作为协处理器，同样可以运行嵌入式操作系统，在M4主处理器的控制下负责完成通信、I/O控制，数据搬运、存储及人机交互控制等任务。以上M4与M0可以单独运行嵌入式操作系统，真正实现多任务同时运行，提高系统运行的实时性及吞吐量。

LPC4320不仅具备双核处理器的优势，还具有CAN总线、UART等通信接口以及ADC、GPIO等丰富的外设。综合考虑硬件性能与软件开发的难度，笔者决定以LPC4320为核心开发新一代液压支架控制器。

2 系统方案设计

2.1 工作面系统方案设计

为了实现对每台支架的控制，我们在每台支架上安装一个支架控制单元，每个支架控制单元由支架控制器、电磁阀驱动器、压力传感器、行程传感器、红外线接收器、接近传感器、姿态传感器等组成。支架控制单元间通过架间电缆相连接，辅以隔爆兼本安型稳压电源、隔离耦合器等组成工作面的支架电液控系统网络，系统方案如图1所示。

在工作面支架电液控系统网络中，工作面总线用于支架控制单元与顺槽集控中心的通信，架间总线用于相邻的支架控制单元间的通信，两条总线通过软件实现相互冗余。在支架控制单元中支架控制器是核心，实现支架操作、命令、数据传输及传感器数据采集以及人机交互等功能，因此，本设计重点是支架控制器的软、硬件设计。

2.2 支架控制器方案设计

支架控制器方案设计如图2所示。

在该设计中，LPC4320作为系统的数据处理与系统控制的主控单元，采用1路CAN总线作为工作面通信的接口，2路UART总线作为左/右邻架的通信接口，从而实现工作面通信与左/右邻架通信的冗余设计;采用其ADC采集外部模拟量传感器的数据，并预留1路UART总线来接入数字量传感器;采用ZLG7290作为按键管理芯片，与LPC4320和I2C进行接口;采用MAX7300作为I/O扩展芯片，通过I2C与LPC4320实现多达24功能的电磁阀驱动;同时还为系统扩展了程序存储器、数据存储器以及显示屏等模块，来实现电液控系统运行需要具备的人机交互、电磁阀控制、数据传输以及存储等功能。

3 基于双核通信的软件架构设计

3.1 双核通信的软、硬件实现

为了实现M4与M0双核间的通信，LPC4320基于两者间的共享RAM与中断，实现两者间的中断通知、数据传递。双核间的通信原理如图3所示。

M4与M0分别使用中断来通知对方有新的事件到来，需要对方处理。M4使用命令缓存区向M0传递命令，M0使用消息缓存区向M4传递数据，从而实现两者内核间的高效通信。

基于中断及共享RAM的双核间通信有以下3种方式：中断机制、消息队列机制和邮箱机制。中断机制是最简单的双核通信方式，用于一个内核向另一个内核发送一个无关联数据的确认信号。消息队列机制使用共享RAM中的两块区域，用来存储一个内核向另一个内核发送的消息。其中命令缓存区用于M4向M0发送命令，消息缓存区用于M0向M4回发消息。消息邮箱机制在共享RAM中使用了占位符，从而实现发送方直接将消息放置到接收方的共享RAM中，这样M4和M0都可以向对方发送消息。

3.2 系统软件架构设计

由于支架控制器需要实现传感器数据采集与处理、左/右邻架通信传输、工作面通信、I/O端口控制、数据存储、人机交互等功能，这就需要根据M4和M0处理器的特点合理进行软件功能的划分，以实现支架控制器在进行数据传输、数据存储、人机交互等工作的同时，进行多种模拟、数字传感器数据的数据采集、分析、处理，从而实现基于多种传感器的支架数字信号控制功能。M4主机和M0从机软件系统流程分别如图4和图5所示。

系统软件架构中，M4是主机，M0是从机。M4负责对M0进行复位、程序加载等控制，运行在M4上的软件与运行在M0上的软件采用RPC(远程过程调用)机制进行调用。M4只是将需要处理的数据等发送给M0，由M0来完成耗时较长的数据发送、存储等处理;M0同步接收外部的通信和人机交互等耗时较长的事件，并将事件信息发送给M4;而诸如传感器信息的数据采集与处理、支架姿态运算控制等计算密集型任务在M4上运行。这样不同类型的任务在M4与M0上合理地分配，保证系统运行的实时性与高效性。

结语

经验证，以LPC4320双核处理器为核心的支架控制器，在传感器数据采集与处理方面，尤其是以倾角传感器数据采集与处理为基础的支架姿态信息计算方面，相对于常用的单片机系统的实时性得到了大幅提升，很好地满足了基于数字信号的支架实时姿态控制。在多通道数据传输方面，相对于普通的单核系统数据传输的实时性也有明显的提升。但是，由于双核系统需要为M4和M0两个子系统分别开发相应的软件系统，这就对系统的软件架构设计提出了更高的要求，对系统中基于双核通信的RPC(远程过程调用)接口设计也提出了更高的要求。