鉅大LARGE | 點擊量：615次 | 2021年12月23日
利用AVR的鉛酸蓄電池管理系統(tǒng)原理及設計
1.引言本文以嵌入式S3C2410為核心芯片，設計和實現(xiàn)了一種高速、高精度且具有一定處理能力的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，并將其應用于工業(yè)過程水位和溫度的實時監(jiān)測。
在工業(yè)過程或實驗室里，經常要對多種信號進行同時采集及監(jiān)測，以便實現(xiàn)性能分析、過程控制、系統(tǒng)恢復等目的。目前，常用的數(shù)據(jù)采集裝置，多采用單片機實現(xiàn)，軟件多采用單任務順序機制，這使得系統(tǒng)不僅處理能力有限，而且存在穩(wěn)定性差的問題。以嵌入式計算機為核心的嵌入式系統(tǒng)由于具有體積小、性能好、功耗低、可靠性高以及面向行業(yè)應用的突出特點，成為繼IT網(wǎng)絡技術之后，又一個新的技術發(fā)展方向[1]。
2.系統(tǒng)總體設計
本設計采用以ARM9為核心的S3C2410作為數(shù)據(jù)采集與處理的核心，重要包括以下四個模塊：信號采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳輸。模擬信號通過放大電路再輸入到S3C2410處理器片內A/D轉換器，經過處理結果以動態(tài)波形的形式顯示在LCD上，并用觸摸屏控制顯示方式。同時通過串口發(fā)送給pC，在pC上用VC++編寫的程序對數(shù)據(jù)進行顯示、存儲等后續(xù)處理。系統(tǒng)結構如圖1所示。
3.硬件電路設計
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
溫度和水位的測量用的是變送器。以溫度變送器為例，本系統(tǒng)選用的是北京賽億凌科技有限公司的STY系列一體化溫度變送器，它的測量范圍是0～150℃，它的輸出是一個與被測溫度成線性關系的4～20mA的恒流信號。
為了滿足測量要求，在溫度變送器的兩個輸出端之間接一個電阻，使其輸出的電流信號轉換成電壓信號，考慮到S3C2410內部A/D轉換器的輸入范圍是0～3.3v，因此選用165Ω的電阻。電路連接圖如圖2所示。
由圖2可知，溫度變送器出現(xiàn)的4～20mA電流信號，經電路轉化變成了0.66～3.3V的電壓信號，此電壓信號傳遞給S3C2410內部的A/D轉換器。采樣溫度值可以這樣計算，設采樣得到的電壓值為UT，單位為V，對應溫度為T，單位為℃，則T的值可由式（1）求得：
4.系統(tǒng)軟件設計
軟件設計重要是uC/OS-II移植和任務的編寫。uC/OS-II是一個免費的、可裁減、源碼開放、結構小巧、搶占式的實時多任務嵌入式內核，重要面向中小型嵌入式系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、可移植性強、實時性能優(yōu)良和可擴展性強等特點[2]。為了方便移植，絕大部分uC/OS-II的代碼是用ANSIC語言編寫的；但是仍要用C語言和匯編語言寫一些與處理器硬件相關的代碼，這是因為uC/OS-II在讀/寫處理器寄存器時，只能通過匯編語言來實現(xiàn)。與處理器相關的代碼包括OS_CpU.H、OS_CpU_A.ASM和OS_CpU_C.C三個文件，所以移植的重要任務就是修改這三個文件。(1)在修改OS_CpU.H中與處理器和編譯器相關的代碼時要注意幾點[3]：（a）不同的處理器有不同的字長，uC/OS-II為了確保其可移植性，不使用C的int，short，long等數(shù)據(jù)類型，因為這些數(shù)據(jù)類型是與編譯器相關的，是不可移植的。（b）修改OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()兩個宏。uC/OS-II要先禁止中斷再訪問代碼的臨界區(qū)，并且在訪問完畢后重新允許中斷。OS_ENTER_CRITICAL()的功能是關中斷，在S3C2410上通過OS_CpU_A.ASM中的INTS_OFF()函數(shù)來實現(xiàn)。OS_EXIT_CRITICAL()用于開中斷，通過OS_CpU_A.ASM中的INTS_ON()函數(shù)來實現(xiàn)。
（c）OS_STK_GROWTH用來含義堆棧生長方式,置0表示堆棧從下往上上升，置1表示堆棧從上向下上升。而在本設計中使用的是堆棧從上向下上升S3C2410處理器，所以置1。（d）OS_TASK_SW()是一個任務切換宏，用于從低優(yōu)先級任務切換到高優(yōu)先級任務。它將任務切換函數(shù)OSCtxSw（）封裝起來。[page](2)修改OS_CpU_C.C中與操作系統(tǒng)相關的OSTaskStkInit（）函數(shù)OSTaskStkInit（）用于任務堆棧初始化，OSTaskCreate（）和OSTaskcreateExt（）通過調用OSTaskStkInit（）來初始化任務的堆棧結構。圖3顯示了OSTaskStkInit（）在建立任務時，任務堆棧初始化的形式。
(3)編寫OS_CpU_A.ASM中4個與處理器相關的函數(shù)OSStartHighRdy()在程序中被OSStart()函數(shù)調用，用途是使就緒任務中優(yōu)先級最高的任務開始運行。OSCtxSw（）是任務級的任務切換函數(shù)，通過執(zhí)行軟中斷指令，或者依據(jù)處理器的不同，執(zhí)行TpAR(陷阱)指令來實現(xiàn)。OSIntCtxSw（）是中斷級任務切換函數(shù)，通過調用它，可以在ISR中執(zhí)行任務切換功能。OSTickISR（）為uC/OS-II供應一個周期性的時鐘源，來實現(xiàn)時間的延遲和超時功能。
5.應用任務設計
系統(tǒng)流程圖如圖4所示。
(1)初始化uC/OS－II系統(tǒng)環(huán)境圖4的左半部分所完成的功能是啟動操作系統(tǒng)，并創(chuàng)建Main_Task和tch_Task兩個任務。右半部分是Main_Task()和tch_Task()的重要內容，這是本設計的重點部分。模擬信號的采集,顯示是在Main_Task()中完成的，而對顯示方式的控制是由tch_Task()來完成的。(2)編程實現(xiàn)A/D轉換模擬數(shù)據(jù)的采集是在Main_Task()中通過調用函數(shù)voidinit_ADdevice()和intGetADresult(intchannel)實現(xiàn)的。模擬信號經A/D轉換后的一個10位數(shù)字量，通過式（1）（2）中將其轉換成實際的數(shù)據(jù)。式中的3.3表示模擬量的上限值，1023是經（210－1）計算得來的，經計算后的數(shù)據(jù)就是實際的模擬量值。數(shù)據(jù)經濾波后分別存放在兩個變量中，用于下面的繪圖部分程序。(3)觸摸屏控制程序這一部分程序的思想是：若有觸摸動作，取觸點坐標值，判斷其是否屬于LCD上顯示的控制按鈕的坐標范圍，若是則做出相應的控制調整，若否則無動作。返回觸點坐標的子函數(shù)為TchScr_GetScrXY（int*x，int*y）。在本設計中，含義了3個控制按鍵,它們用于傳遞控制信息。(4)繪圖的ApI函數(shù)在uC/OS－II系統(tǒng)環(huán)境下，繪圖必須通過使用繪圖設備上下文（DC）來實現(xiàn)。繪圖設備上下文（DC）中包括與繪圖相關的信息，如：繪圖坐標、畫筆顏色、畫筆寬度等等。在實際使用時，使用CreateDC()創(chuàng)建繪圖設備上下文，使用DestoryDC(pdc)刪除繪圖設備上下文,這兩條語句在程序中應該成對出現(xiàn)。通過使用LineTo()、TextOut()、Circle()、MoveTo()等函數(shù)，可以將采樣值實時的顯示到LCD上。在LCD繪圖時以下兩點值得注意：（a）在LCD繪圖時要反復使用LineTo()和MoveTo()兩個函數(shù)，但在使用該函數(shù)之前，一定要注意到LCD的分辨率。只有了解了LCD分辨率,才能了解LCD的坐標值的范圍，從而得到正確的設定結果。本設計使用的LCD分辨率是640*480。也就是說，初始坐標系的x值范圍為（0≤x≤640），y值范圍（0≤y≤480）。（b）由于LCD寬度有限，當橫坐標x>LCDWidth時，波形就超出顯示范圍了。解決方法是在LCD上顯示自左至右畫出的波形，當畫到LCD的最右端時，清一次屏幕后，重新從LCD的左端向右畫線，同時橫坐標的值也相應的改變。(5)pC機上數(shù)據(jù)顯示程序為了更好的記錄和分析數(shù)據(jù)，我們在pC機上用VC編寫了程序，這樣可以很好保存和處理數(shù)據(jù)，為性能分析和系統(tǒng)故障恢復供應了有利條件。
6．結論
uC/OS-II實時操作系統(tǒng)是開放源碼且得到實際驗證的軟件平臺，而ARM處理器具有強大的32位RISC性能?；趗C/OS-II及ARM，能大量減輕研發(fā)任務，提高研發(fā)速度，為在短時間內設計出控制性能優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。本文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成功應用于工業(yè)場合溫度和水位的實時測控，達到了很好的效果。本文作者創(chuàng)新點：摒棄了傳統(tǒng)單片機數(shù)據(jù)采集，采用移植性好的嵌入式uC/OS-II系統(tǒng)，具有后續(xù)開發(fā)簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，可靠性高等特點。本設計可以很容易得移植到其他數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)當中去。
