基于AVR的铅酸蓄电池管理系统设计

1. 引言
在工业过程或实验室里，经常需要对多种信号进行同时采集及监测，以便实现性能分析、过程控制、系统恢复等目的。目前，常用的数据采集装置，多采用单片机实现，软件多采用单任务顺序机制，这使得系统不仅处理能力有限，而且存在稳定性差的问题。以嵌入式计算机为核心的嵌入式系统由于具有体积小、性能好、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突出特征，成为继 I T网络技术之后，又一个新的技术发展方向 [1]。
本文以嵌入式 S3C2410为核心芯片，设计和实现了一种高速、高精度且具有一定处理能力的数据采集处理系统，并将其应用于工业过程水位和温度的实时监测。
2. 系统总体设计
本设计采用以 ARM9为核心的 S3C2410作为数据采集与处理的核心，主要包括以下四个模块：信号采集、数据存储、数据显示、数据传输。模拟信号通过放大电路再输入到 S3C2410处理器片内 A/D转换器，经过处理结果以动态波形的形式显示在 LCD上，并用触摸屏控制显示方式。同时通过串口发送给 PC，在 PC上用 VC++编写的程序对数据进行显示、存储等后续处理。系统结构如图 1所示。

3. 硬件电路设计
温度和水位的测量用的是变送器。以温度变送器为例，本系统选用的是北京赛亿凌科技有限公司的 STY系列一体化温度变送器，它的测量范围是 0～150℃，它的输出是一个与被测温度成线性关系的 4～20mA的恒流信号。
为了满足测量要求，在温度变送器的两个输出端之间接一个电阻，使其输出的电流信号转换成电压信号，考虑到 S3C2410内部 A/D转换器的输入范围是 0～3.3v，因此选用 165 Ω的电阻。电路连接图如图 2所示。

由图 2可知，温度变送器产生的 4～20mA电流信号，经电路转化变成了 0.66～3.3V的电压信号，此电压信号传递给 S3C2410内部的 A/D转换器。采样温度值可以这样计算，设采样得到的电压值为UT，单位为 V，对应温度为 T，单位为℃，则 T的值可由式（ 1）求得：

4. 系统软件设计
软件设计主要是 uC/OS-II移植和任务的编写。uC/OS-II是一个免费的、可裁减、源码开放、结构小巧、抢占式的实时多任务嵌入式内核，主要面向中小型嵌入式系统，具有执行效率高、占用空间小、可移植性强、实时性能优良和可扩展性强等特点[2]。
为了方便移植，绝大部分 uC/OS-II的代码是用 ANSI C语言编写的；但是仍需要用 C语言和汇编语言写一些与处理器硬件相关的代码，这是因为uC/OS-II在读/写处理器寄存器时，只能通过汇编语言来实现。与处理器相关的代码包括 OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM和OS_CPU_C.C三个文件，所以移植的主要任务就是修改这三个文件。
(1) 在修改 OS_CPU.H中与处理器和编译器相关的代码时要注意几点 [3]：
（a）不同的处理器有不同的字长，uC/OS-II为了确保其可移植性，不使用 C的int，short，long等数据类型，因为这些数据类型是与编译器相关的，是不可移植的。
（b）修改 OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()两个宏。uC/OS-II需要先禁止中断再访问代码的临界区，并且在访问完毕后重新允许中断。OS_ENTER_CRITICAL()的功能是关中断，在 S3C2410上通过 OS_CPU_A.ASM中的 INTS_OFF()函数来实现。OS_EXIT_CRITICAL()用于开中断，通过 OS_CPU_A.ASM中的INTS_ON()函数来实现。
（c）OS_STK_GROWTH用来定义堆栈生长方式, 置 0表示堆栈从下往上增长，置 1表示
堆栈从上向下增长。而在本设计中使用的是堆栈从上向下增长 S3C2410处理器，所以置1。（d）OS_TASK_SW()是一个任务切换宏，用于从低优先级任务切换到高优先级任务。它将任务切换函数OSCtxSw（）封装起来。
(2) 修改OS_CPU_C.C中与操作系统相关的OSTaskStkInit（）函数
OSTaskStkInit（）用于任务堆栈初始化，OSTaskCreate（）和 OSTaskcreateExt（）通过调用OSTaskStkInit（）来初始化任务的堆栈结构。图 3显示了OSTaskStkInit（）在建立任务时，任务堆栈初始化的形式。

(3) 编写OS_CPU_A.ASM中4个与处理器相关的函数
OSStartHighRdy( )在程序中被 OSStart( )函数调用，作用是使就绪任务中优先级最高的任务开始运行。 OSCtxSw（）是任务级的任务切换函数，通过执行软中断指令，或者依据处理器的不同，执行TPAR(陷阱)指令来实现。OSIntCtxSw（）是中断级任务切换函数，通过调用它，可以在 ISR中执行任务切换功能。OSTickISR（）为 uC/OS-II提供一个周期性的时钟源，来实现时间的延迟和超时功能。
5. 应用任务设计
系统流程图如图 4所示。

(1) 初始化uC/OS－II系统环境
图 4的左半部分所完成的功能是启动操作系统，并创建 Main_Task和 tch_Task两个任务。右半部分是 Main_Task()和 tch_Task()的主要内容，这是本设计的重点部分。模拟信号的采集,显示是在 Main_Task()中完成的，而对显示方式的控制是由tch_Task()来完成的。
(2) 编程实现 A/D转换
模拟数据的采集是在 Main_Task( )中通过调用函数 void init_ADdevice()和 intGetADresult(int channel)实现的。模拟信号经 A/D转换后的一个 10位数字量，通过式（1）
（2）中将其转换成实际的数据。式中的 3.3表示模拟量的上限值，1023是经（2 10－1）计算得来的，经计算后的数据就是实际的模拟量值。数据经滤波后分别存放在两个变量中，用于下面的绘图部分程序。
(3) 触摸屏控制程序
这一部分程序的思想是：若有触摸动作，取触点坐标值，判断其是否属于 LCD上显示的控制按钮的坐标范围，若是则做出相应的控制调整，若否则无动作。返回触点坐标的子函数为 TchScr_GetScrXY（int *x，int *y）。在本设计中，定义了 3个控制按键,它们用于传递控制信息。
(4) 绘图的API函数
在uC/OS－II系统环境下，绘图必须通过使用绘图设备上下文（DC）来实现。绘图设备上下文（DC）中包括与绘图相关的信息，如：绘图坐标、画笔颜色、画笔宽度等等。在实际使用时，使用CreateDC()创建绘图设备上下文，使用DestoryDC(pdc)删除绘图设备上下文,这两条语句在程序中应该成对出现。通过使用 LineTo( )、TextOut()、Circle( )、MoveTo( )等函数，可以将采样值实时的显示到 LCD上。
在 LCD绘图时以下两点值得注意：
（a）在 LCD绘图时要反复使用 LineTo( ) 和MoveTo( )两个函数，但在使用该函数之前，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的坐标值的范围，从而得到正确的设定结果。本设计使用的 LCD分辨率是640*480。也就是说，初始坐标系的 x值范围为（0≤x≤640），y值范围（0≤y≤480）。
（b）由于LCD宽度有限，当横坐标 x>LCDWidth时，波形就超出显示范围了。解决方法是在 LCD上显示自左至右画出的波形，当画到 LCD的最右端时，清一次屏幕后，重新从 LCD的左端向右画线，同时横坐标的值也相应的改变。
(5) PC机上数据显示程序
为了更好的记录和分析数据，我们在 PC机上用 VC编写了程序，这样可以很好保存和处理数据，为性能分析和系统故障恢复提供了有利条件。
6．结论
uC/OS-II实时操作系统是开放源码且得到实际验证的软件平台，而ARM处理器具有强大的32位RISC性能。基于uC/OS-II及ARM，能大量减轻研发任务，提高研发速度，为在短时间内设计出控制性能优秀的数据采集系统创造了条件。本文数据采集系统已成功应用于工业场合温度和水位的实时测控，达到了很好的效果。
本文作者创新点：摒弃了传统单片机数据采集，采用移植性好的嵌入式 uC/OS-II系统，具有后续开发简单，系统稳定性好，可靠性高等特点。本设计可以很容易得移植到其他数据采集系统当中去。参考文献
[1] 田泽.嵌入式系统开发与应用教程[M].北京:北京航空航天大学出版社，2005.
[2] 任哲.嵌入式实时操作系统 uC/OS-II原理及应用 [M].北京:北京航空航天大学出版社， 2005.
[3] Jean J. Labrosse，邵贝贝等译.嵌入式实时操作系统 uC/OS-II[M].北京:北京航空航天大学出版社，2003.
[4]马云辉, 姚宇翔. uC/OS-Ⅱ在 LPC2214上的移植与应用 [J].微计算机信息，2008， 4-2：68-70
[5]吴绍根.uC/OS-II在 LPC2210上的移植实现 [J].微计算机信息，2007，3-2：62-64