利用AVR的鉛酸蓄電池管理系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)

1. 引言

本文以嵌入式 S3C2410為核心芯片，設(shè)計(jì)和實(shí)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(yīng)用于工業(yè)過(guò)程水位和溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

在工業(yè)過(guò)程或?qū)嶒?yàn)室里，經(jīng)常需要對(duì)多種信號(hào)進(jìn)行同時(shí)采集及監(jiān)測(cè)，以便實(shí)現(xiàn)性能分析、過(guò)程控制、系統(tǒng)恢復(fù)等目的。目前，常用的數(shù)據(jù)采集裝置，多采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，軟件多采用單任務(wù)順序機(jī)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(wèn)題。以嵌入式計(jì)算機(jī)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(yīng)用的突出特征，成為繼 I T網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后，又一個(gè)新的技術(shù)發(fā)展方向 [1]。

2. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用以 ARM9為核心的 S3C2410作為數(shù)據(jù)采集與處理的核心，主要包括以下四個(gè)模塊：信號(hào)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳輸。模擬信號(hào)通過(guò)放大電路再輸入到 S3C2410處理器片內(nèi) A/D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過(guò)處理結(jié)果以動(dòng)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(shí)通過(guò)串口發(fā)送給 PC，在 PC上用 VC++編寫的程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)等后續(xù)處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

3. 硬件電路設(shè)計(jì)

溫度和水位的測(cè)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(cè)量范圍是 0～150℃，它的輸出是一個(gè)與被測(cè)溫度成線性關(guān)系的 4～20mA的恒流信號(hào)。
為了滿足測(cè)量要求，在溫度變送器的兩個(gè)輸出端之間接一個(gè)電阻，使其輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，考慮到 S3C2410內(nèi)部 A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍是 0～3.3v，因此選用 165 Ω的電阻。電路連接圖如圖 2所示。

由圖 2可知，溫度變送器產(chǎn)生的 4～20mA電流信號(hào)，經(jīng)電路轉(zhuǎn)化變成了 0.66～3.3V的電壓信號(hào)，此電壓信號(hào)傳遞給 S3C2410內(nèi)部的 A/D轉(zhuǎn)換器。采樣溫度值可以這樣計(jì)算，設(shè)采樣得到的電壓值為UT，單位為 V，對(duì)應(yīng)溫度為 T，單位為℃，則 T的值可由式（ 1）求得：
4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)主要是 uC/OS-II移植和任務(wù)的編寫。uC/OS-II是一個(gè)免費(fèi)的、可裁減、源碼開(kāi)放、結(jié)構(gòu)小巧、搶占式的實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式內(nèi)核，主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(qiáng)、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)[2]。
為了方便移植，絕大部分 uC/OS-II的代碼是用 ANSI C語(yǔ)言編寫的；但是仍需要用 C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言寫一些與處理器硬件相關(guān)的代碼，這是因?yàn)閡C/OS-II在讀/寫處理器寄存器時(shí)，只能通過(guò)匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。與處理器相關(guān)的代碼包括 OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM和OS_CPU_C.C三個(gè)文件，所以移植的主要任務(wù)就是修改這三個(gè)文件。
(1) 在修改 OS_CPU.H中與處理器和編譯器相關(guān)的代碼時(shí)要注意幾點(diǎn) [3]：
（a）不同的處理器有不同的字長(zhǎng)，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?yàn)檫@些數(shù)據(jù)類型是與編譯器相關(guān)的，是不可移植的。
（b）修改 OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()兩個(gè)宏。uC/OS-II需要先禁止中斷再訪問(wèn)代碼的臨界區(qū)，并且在訪問(wèn)完畢后重新允許中斷。OS_ENTER_CRITICAL()的功能是關(guān)中斷，在 S3C2410上通過(guò) OS_CPU_A.ASM中的 INTS_OFF()函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。OS_EXIT_CRITICAL()用于開(kāi)中斷，通過(guò) OS_CPU_A.ASM中的INTS_ON()函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（c）OS_STK_GROWTH用來(lái)定義堆棧生長(zhǎng)方式, 置 0表示堆棧從下往上增長(zhǎng)，置 1表示
堆棧從上向下增長(zhǎng)。而在本設(shè)計(jì)中使用的是堆棧從上向下增長(zhǎng) S3C2410處理器，所以置1。（d）OS_TASK_SW()是一個(gè)任務(wù)切換宏，用于從低優(yōu)先級(jí)任務(wù)切換到高優(yōu)先級(jí)任務(wù)。它將任務(wù)切換函數(shù)OSCtxSw（）封裝起來(lái)。
(2) 修改OS_CPU_C.C中與操作系統(tǒng)相關(guān)的OSTaskStkInit（）函數(shù)
OSTaskStkInit（）用于任務(wù)堆棧初始化，OSTaskCreate（）和 OSTaskcreateExt（）通過(guò)調(diào)用OSTaskStkInit（）來(lái)初始化任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)。圖 3顯示了OSTaskStkInit（）在建立任務(wù)時(shí)，任務(wù)堆棧初始化的形式。

(3) 編寫OS_CPU_A.ASM中4個(gè)與處理器相關(guān)的函數(shù)
OSStartHighRdy( )在程序中被 OSStart( )函數(shù)調(diào)用，作用是使就緒任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)開(kāi)始運(yùn)行。 OSCtxSw（）是任務(wù)級(jí)的任務(wù)切換函數(shù)，通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)。OSIntCtxSw（）是中斷級(jí)任務(wù)切換函數(shù)，通過(guò)調(diào)用它，可以在 ISR中執(zhí)行任務(wù)切換功能。OSTickISR（）為 uC/OS-II提供一個(gè)周期性的時(shí)鐘源，來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間的延遲和超時(shí)功能。
5. 應(yīng)用任務(wù)設(shè)計(jì)
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(dòng)操作系統(tǒng)，并創(chuàng)建 Main_Task和 tch_Task兩個(gè)任務(wù)。右半部分是 Main_Task()和 tch_Task()的主要內(nèi)容，這是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)部分。模擬信號(hào)的采集,顯示是在 Main_Task()中完成的，而對(duì)顯示方式的控制是由tch_Task()來(lái)完成的。
(2) 編程實(shí)現(xiàn) A/D轉(zhuǎn)換
模擬數(shù)據(jù)的采集是在 Main_Task( )中通過(guò)調(diào)用函數(shù) void init_ADdevice()和 intGetADresult(int channel)實(shí)現(xiàn)的。模擬信號(hào)經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換后的一個(gè) 10位數(shù)字量，通過(guò)式（1）
（2）中將其轉(zhuǎn)換成實(shí)際的數(shù)據(jù)。式中的 3.3表示模擬量的上限值，1023是經(jīng)（2 10－1）計(jì)算得來(lái)的，經(jīng)計(jì)算后的數(shù)據(jù)就是實(shí)際的模擬量值。數(shù)據(jù)經(jīng)濾波后分別存放在兩個(gè)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(dòng)作，取觸點(diǎn)坐標(biāo)值，判斷其是否屬于 LCD上顯示的控制按鈕的坐標(biāo)范圍，若是則做出相應(yīng)的控制調(diào)整，若否則無(wú)動(dòng)作。返回觸點(diǎn)坐標(biāo)的子函數(shù)為 TchScr_GetScrXY（int *x，int *y）。在本設(shè)計(jì)中，定義了 3個(gè)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(guò)使用繪圖設(shè)備上下文（DC）來(lái)實(shí)現(xiàn)。繪圖設(shè)備上下文（DC）中包括與繪圖相關(guān)的信息，如：繪圖坐標(biāo)、畫(huà)筆顏色、畫(huà)筆寬度等等。在實(shí)際使用時(shí)，使用CreateDC()創(chuàng)建繪圖設(shè)備上下文，使用DestoryDC(pdc)刪除繪圖設(shè)備上下文,這兩條語(yǔ)句在程序中應(yīng)該成對(duì)出現(xiàn)。通過(guò)使用 LineTo( )、TextOut()、Circle( )、MoveTo( )等函數(shù)，可以將采樣值實(shí)時(shí)的顯示到 LCD上。
在 LCD繪圖時(shí)以下兩點(diǎn)值得注意：
（a）在 LCD繪圖時(shí)要反復(fù)使用 LineTo( ) 和MoveTo( )兩個(gè)函數(shù)，但在使用該函數(shù)之前，一定要注意到 LCD的分辨率。只有知道了 LCD分辨率,才能知道 LCD的坐標(biāo)值的范圍，從而得到正確的設(shè)定結(jié)果。本設(shè)計(jì)使用的 LCD分辨率是640*480。也就是說(shuō)，初始坐標(biāo)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(dāng)橫坐標(biāo) x>LCDWidth時(shí)，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(huà)出的波形，當(dāng)畫(huà)到 LCD的最右端時(shí)，清一次屏幕后，重新從 LCD的左端向右畫(huà)線，同時(shí)橫坐標(biāo)的值也相應(yīng)的改變。
(5) PC機(jī)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?cè)?PC機(jī)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(fù)提供了有利條件。

6．結(jié)論
uC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是開(kāi)放源碼且得到實(shí)際驗(yàn)證的軟件平臺(tái)，而ARM處理器具有強(qiáng)大的32位RISC性能。基于uC/OS-II及ARM，能大量減輕研發(fā)任務(wù)，提高研發(fā)速度，為在短時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)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(yīng)用于工業(yè)場(chǎng)合溫度和水位的實(shí)時(shí)測(cè)控，達(dá)到了很好的效果。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：摒棄了傳統(tǒng)單片機(jī)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(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，可靠性高等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)可以很容易得移植到其他數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)當(dāng)中去。