精品文檔-下載后可編輯一種鉛酸蓄電池管理系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)-設計應用

1.引言

鉛酸蓄電池行業(yè)與電力、交通、信息等產(chǎn)業(yè)發(fā)展息息相關，在汽車、叉車等運輸工具和大型不間斷供電電源系統(tǒng)中處于控制地位，是社會生產(chǎn)經(jīng)營活動和人類生活中不可或缺的。我國蓄電池行業(yè)規(guī)模相當龐大，應用也非常廣泛，鑒于鉛酸蓄電池的使用不當帶來的問題（如硫化、容量減小、使用壽命縮短等），實現(xiàn)蓄電池的智能化管理顯得非常必要，而國內目前應用于該領域的嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品很少。

本文以嵌入式S3C2410為芯片，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。

2.系統(tǒng)總體設計

AVR單片機是1997年由ATMEL公司研發(fā)出的增強型內置Flash的RISC（ReducedInstructionSetCPU）精簡指令集高速8位單片機。AVR的單片機可以廣泛應用于計算機外部設備、工業(yè)實時控制、儀器儀表、通訊設備、家用電器等各個領域。1997年，由Atmel公司挪威設計中心的A先生和V先生，利用Atmel公司的Flash新技術，共同研發(fā)出RISC精簡指令集高速8位單片機，簡稱AVR.

本設計采用以ARM9為的S3C2410作為數(shù)據(jù)采集與處理的，主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(jīng)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

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，溫度變送器產(chǎn)生的4~20mA電流信號，經(jīng)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

軟件設計主要是uC/OS-II移植和任務的編寫。uC/OS-II是一個的、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，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、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；但是仍需要用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，所以移植的主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需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用來定義堆棧生長方式，置0表示堆棧從下往上增長，置1表示

堆棧從上向下增長。而在本設計中使用的是堆棧從上向下增長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。

（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，作用是使就緒任務中優(yōu)先級的任務開始運行。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提供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

μC/OS和μC/OS-II是專門為計算機的嵌入式應用設計的，絕大部分代碼是用C語言編寫的。CPU硬件相關部分是用匯編語言編寫的、總量約200行的匯編語言部分被壓縮到限度，為的是便于移植到任何一種其它的CPU上。uC/OS是一種公開源代碼、結構小巧、具有可剝奪實時內核的實時操作系統(tǒng)，商業(yè)應用需要付費。

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（）的主要內容，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

A/D轉換亦稱模擬一數(shù)字轉換，與數(shù)/模（D/A）轉換相反，是將連續(xù)的模擬量（如象元的灰階、電壓、電流等）通過取樣轉換成離散的數(shù)字量。例如，對圖象掃描后，形成象元列陣，把每個象元的亮度（灰階）轉換成相應的數(shù)字表示，即經(jīng)模/數(shù)轉換后，構成數(shù)字圖象。通常有電子式的模/數(shù)轉換和機電式模/數(shù)轉換二種。

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(jīng)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(jīng)（210-1）計算得來的，經(jīng)計算后的數(shù)據(jù)就是實際的模擬量值。數(shù)據(jù)經(jīng)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，定義了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。只有知道了LCD分辨率，才能知道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xLCDWidth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的右端時，清屏幕后，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)故障恢復提供了有利條件。

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