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1、概述

     本篇文章介紹了一種應(yīng)用了嵌入式實時操作內(nèi)核Small RTOS5l的汽車動態(tài)稱重儀表的設(shè)計方法。汽車動態(tài)稱重原理是汽車以一定的速度經(jīng)過一定寬度的稱重臺面，由稱重臺面測出汽車每個軸的重量，然后累加得出汽車總重。該稱重過程是一個強(qiáng)實時過程，需要單片機(jī)及時采集汽車每個軸的數(shù)據(jù)并快速計算其重量。如果單片機(jī)速度過慢或者程序設(shè)計不合理，就會給儀表帶來穩(wěn)定性和可靠性的問題。當(dāng)前很多智能稱重儀表的軟件采用前/后臺系統(tǒng)設(shè)計，整個應(yīng)用程序是一個無限的循環(huán)，后臺程序循環(huán)調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作，中斷服務(wù)程序處理異步事件。這種傳統(tǒng)的程序設(shè)計思路有著明顯的不足。整個應(yīng)用程序是一個有機(jī)的整體，使得實時應(yīng)用程序的設(shè)計和擴(kuò)展困難，時間要求苛刻的事件難以達(dá)到快捷有效的處理，對事件的串行處理使得資源得不到很好的利用。在智能動態(tài)稱重儀表中移植嵌入式操作系統(tǒng)能較好的解決以上問題，并使軟件開發(fā)工作變得規(guī)范、容易測試，實現(xiàn)模塊化編程和縮短開發(fā)周期。當(dāng)然RTOS本身需要占用一定的資源，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，器件的性能不斷上升、成本不斷下降，使得RTOS所消耗的成本不再重要。汽車動態(tài)稱重儀就是移植了嵌入式操作系統(tǒng)，在實際應(yīng)用中增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

2 、系統(tǒng)總體方案
    汽車動態(tài)稱重儀主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊、外部存儲器和外部看門狗組成。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)將稱重傳感器檢測到的重量信號放大、濾波，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送給CPU；CPU負(fù)責(zé)與各個外設(shè)的通訊和重量信號的分析和處理，并將處理完的重量信號發(fā)送給顯示模塊和通訊模塊；顯示模塊負(fù)責(zé)重量信號的顯示：通訊模塊負(fù)責(zé)將重量信號發(fā)送到上位機(jī)；外部存儲器存放儀表的參數(shù)：按鍵用來設(shè)置和修改儀表參數(shù)；外部看門狗用來提高稱重儀表的抗干擾能力，增強(qiáng)儀表的穩(wěn)定性。

3、 硬件電路設(shè)計
3.1數(shù)據(jù)采集模塊
      由于稱重儀表需要高精度，采用外接A／D轉(zhuǎn)換器，選用CS5532。該器件是美國某公司推出的一種具有極低噪音的多通道型模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換器，由于其采用電荷平衡技術(shù)和極低噪聲的可編程增益斬波穩(wěn)定測量放大器，內(nèi)部集成了放大和濾波功能，可得到高達(dá)24位分辨率的輸出結(jié)果，且具有高動態(tài)范圍和靈活的電源配置選項等優(yōu)點，使得該器件非常適合于動態(tài)稱重。其基準(zhǔn)電壓由專門的基準(zhǔn)電壓器件AD780提供。。

3.2微處理器和外部存儲器
      微處理器是系統(tǒng)的核心，其性能的好壞直接決定了稱重系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性?；谄噭討B(tài)稱重儀對精度和實時性的要求，選用某公司的P89C668單片機(jī)。它具有以下特點：
①片內(nèi)帶有8 KB RAM，64 KB Flash存儲器，該存儲器既可并行編程也可串行編程(ISP)，在實際的成型產(chǎn)品中可通過ISP升級用戶程序；②該器件在6個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令，是傳統(tǒng)的80C51的2倍；在每個機(jī)器周期，6個時鐘周期下速度高達(dá)20 MHz(相當(dāng)于40 MHz性能)；③該器件有4個8位I／O端口，3個16位定時器／事件計數(shù)器，多中斷源，4個優(yōu)選級，可嵌套中斷結(jié)構(gòu)，一個增強(qiáng)型UART和片內(nèi)振蕩器及時序電路；這些資源為系統(tǒng)的硬件設(shè)計提供足夠的I／O端口，為軟件復(fù)雜功能的實現(xiàn)和未來程序的擴(kuò)展，提供了足夠的程序存儲空間，為重量數(shù)據(jù)的采樣、濾波和稱重算法的實現(xiàn)，提供了足夠的數(shù)據(jù)存儲空間，可采用ISP功能實現(xiàn)產(chǎn)品的軟件升級。外部存儲器采用某公司的AT24C512器件，擁有64 KB存儲容量、I2C接口的電可擦除非易失EEPROM存儲器，為設(shè)置和校準(zhǔn)參數(shù)提供存儲空間。

3.3顯示和通訊模塊
    顯示驅(qū)動采用SN74HC595，是一款串行輸入并行輸出的移位寄存器，僅需3根I／O端口線即可控制6個數(shù)碼管和8個發(fā)光二極管，極大節(jié)省了單片機(jī)的資源

3.4 按鍵和外部看門狗電路
     鍵盤采用典型的4x4矩陣薄膜按鍵鍵盤，用來設(shè)置動態(tài)稱重儀表參數(shù)。為了提高儀表的抗干擾能力，增強(qiáng)儀表的穩(wěn)定性，采用外部看門狗復(fù)位電路。選用的器件 是MAX813。

4 、系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 Small RTOS51簡介
      Small RTOS5l是一個專門為5l系列單片機(jī)設(shè)計的嵌入式實時操作內(nèi)核，使用Keil編譯器可以直接使用其代碼，其特點：①公開源代碼。只要遵循許可協(xié)議，任何人可以免費獲得源代碼，便于用戶的二次開發(fā)。②可移植性。用戶可以把與CPU有關(guān)的控制指令壓縮到最小?？梢允褂肁NSIC編寫應(yīng)用程序，不僅簡化了編程手段，而且便于程序移植。⑧可固化性。Small RTOS51為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，可以嵌入到產(chǎn)品中，成為產(chǎn)品的一部分。④占先式運行。Small RT0S51可以管理16個用戶任務(wù)，每個任務(wù)可以設(shè)置不同的優(yōu)先級。Small RTOS5l總是運行優(yōu)先級最高的任務(wù)。⑤中斷管理。采用中斷管理方式．當(dāng)有更高級的中斷申請時，將目前正在執(zhí)行的任務(wù)掛起。如果優(yōu)先級更高的任務(wù)被中斷喚醒，則高優(yōu)先級的任務(wù)在中斷嵌套結(jié)束后立刻執(zhí)行。中斷嵌套層數(shù)可達(dá)255層。若需要，可以禁止中斷的嵌套管理。⑥RAM需求小。SmallRTOS51為小RAM的系統(tǒng)設(shè)計，因而對RAM的需求只有幾百字節(jié)，相應(yīng)的系統(tǒng)服務(wù)也少。

4.2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

      按照儀表所要實現(xiàn)的功能，將整個系統(tǒng)劃分為多個并行的任務(wù)，占先式操作內(nèi)核對任務(wù)的調(diào)度是按照任務(wù)優(yōu)先權(quán)的高低進(jìn)行。這里將系統(tǒng)劃分為8個任務(wù)，按其優(yōu)先級從高到低的順序排序。用操作系統(tǒng)提供的任務(wù)建立函數(shù)OS一TaskCreate來實現(xiàn)。
(1)Task_AD負(fù)責(zé)接收A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，即信號的采樣，并判斷是否為汽車軸重數(shù)據(jù)，若是就保存。通過中斷服務(wù)程序接收A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，讀取完成會發(fā)一個信號量AD_Sem，Task_AD任務(wù)接收到AD_Sem信號量后開始判斷是否保存數(shù)據(jù)。如果任務(wù)檢測到一個軸完整通過稱臺，就發(fā)送相應(yīng)軸的消息到數(shù)據(jù)處理任務(wù)。
(2)Task_Identify負(fù)責(zé)識別汽車的軸型和汽車是否完全通過稱臺。根據(jù)國家規(guī)定，不同軸型的汽車限載不同，所以動態(tài)稱重時，儀表要自動識別汽車軸型，然后根據(jù)該軸型汽車的限重判斷其是否超載。該任務(wù)還通過掃描車輛分離器的信號，識別車輛是否完全通過稱重臺面。若識別到車輛完全通過稱臺，就發(fā)送End_Sem信號量。
(3)Task_Comm_Rece負(fù)責(zé)接收來自上位機(jī)的命令和回應(yīng)儀表的發(fā)送請求。儀表通過上位機(jī)發(fā)來的不同命令執(zhí)行相應(yīng)的操作。
(4)Task_Key負(fù)責(zé)按鍵的掃描和識別。
(5)Task_Data負(fù)責(zé)稱重數(shù)據(jù)的處理。當(dāng)該任務(wù)接收到來自Task_AD任務(wù)發(fā)送的軸信息后，開始處理該軸的數(shù)據(jù)。通過稱重算法計算出該軸的重量。并將重量以信息的方式發(fā)送給Task_Display任務(wù)。
(6)Task_Display負(fù)責(zé)顯示重量和參數(shù)。該任務(wù)接收到數(shù)據(jù)處理發(fā)來的信息，將顯示該軸的重量，如果儀表檢測到汽車已完全通過稱臺，顯示汽車總重。如果Task_Key任務(wù)掃描到參數(shù)鍵按下時，切換到參數(shù)顯示狀態(tài)。
(7)Task_End負(fù)責(zé)汽車完全通過稱臺后的一系列處理工作，包括總重累加，軸組重量統(tǒng)計，軸型統(tǒng)計。處理完后向數(shù)據(jù)通訊信息隊列發(fā)送信息，通知數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)向上位機(jī)發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)。
(8)Task_Comm_Send負(fù)責(zé)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)該任務(wù)接收到通訊消息后，根據(jù)不同的信息值向上位機(jī)發(fā)送不同的數(shù)據(jù)，例如，若汽車正向通過稱重臺面，則通訊信息值為1，Task_Comm_Send接收到該消息后會向上位機(jī)發(fā)送車輛的重量信息和軸型信息。若汽車反向通過稱重臺面，則通訊信息值為0，Task_Comm_Send接收到該信息會向上位機(jī)發(fā)送車輛的倒車信息。

5、結(jié)語
以嵌入式操作系統(tǒng)為開發(fā)平臺能夠提高效率，避免傳統(tǒng)開發(fā)中復(fù)雜的循環(huán)和判斷結(jié)構(gòu)，降低了程序維護(hù)的難度。通過合理的任務(wù)劃分可以滿足動態(tài)稱重系統(tǒng)的實時性、可靠性、精確性的要求。

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