一种铅酸蓄电池管理系统的设计和实现

　　1. 引言

　　铅酸蓄电池行业与电力、交通、信息等产业发展息息相关，在汽车、叉车等运输工具和大型不间断供电电源系统中处于控制地位，是社会生产经营活动和人类生活中不可或缺的。我国蓄电池行业规模相当庞大，应用也非常广泛，鉴于铅酸蓄电池的使用不当带来的问题（如硫化、容量减小、使用寿命缩短等），实现蓄电池的智能化管理显得非常必要，而国内目前应用于该领域的嵌入式系统产品很少。

　　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

　　AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC（Reduced Instruction Set CPU） 精简指令集高速8位单片机。AVR的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。 1997年，由Atmel公司挪威设计中心的A先生和V先生，利用Atmel公司的Flash新技术，共同研发出RISC精简指令集高速8位单片机，简称AVR.

　　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

　　μC/OS 和μC/OS-II 是专门为计算机的嵌入式应用设计的， 绝大部分代码是用C语言编写的。CPU 硬件相关部分是用汇编语言编写的、总量约200行的汇编语言部分被压缩到最低限度，为的是便于移植到任何一种其它的CPU 上。u C / O S 是一种公开源代码、结构小巧、具有可剥夺实时内核的实时操作系统，商业应用需要付费。

　　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

　　A/D转换亦称模拟一数字转换，与数/模（D/A）转换相反，是将连续的模拟量（如象元的灰阶、电压、电流等）通过取样转换成离散的数字量。例如，对图象扫描后，形成象元列阵，把每个象元的亮度（灰阶）转换成相应的数字表示，即经模/数转换后，构成数字图象。通常有电子式的模/数转换和机电式模/数转换二种。

　　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。