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1引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及微電子技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)深入到各類產(chǎn)品：智能家電、 工業(yè)控制、航空航天、醫(yī)療、軍事等各種智能化數(shù)字設(shè)備。

嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件及硬件可以按需要剪裁并且對(duì)功能、可靠性、成本有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其在稱重儀表的應(yīng)用將促進(jìn)稱重儀表的智能化、小型化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。

稱重儀表的發(fā)展趨勢(shì)是高精度、快速響應(yīng)傳感器的信號(hào)，但是傳統(tǒng)意義的51單片機(jī)順序編程大循環(huán)概念，A／D轉(zhuǎn)換采用中斷、查詢方式，再加上離散器件組成系統(tǒng)的時(shí)延等因素，極大的阻礙了實(shí)時(shí)性需求的實(shí)現(xiàn)。因此開(kāi)發(fā)基于SOC(System On Chip)片上系統(tǒng)的多任務(wù)系統(tǒng)智能稱重儀表勢(shì)在必行。

在系統(tǒng)規(guī)劃及開(kāi)發(fā)階段進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，采用某公司RTX51嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為多任務(wù)開(kāi)發(fā)環(huán)境RTX51 Tiny，適用于51系列的所有派生機(jī)型。因?yàn)镽TX51 Tiny不僅是免費(fèi)的，而且功能強(qiáng)大，可以靈活的分配硬件系統(tǒng)資源(CPU，存儲(chǔ)器等)給各個(gè)任務(wù)，對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)在智能稱重儀表領(lǐng)域的應(yīng)用具有劃時(shí)代的意義。

2硬件設(shè)計(jì)

2．1主處理器：

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)采用美國(guó)某公司的C805 1 F020，C805 1 F020器件是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，C8051F020具有64個(gè)數(shù)字I／O引腳，下面列出了一些主要特性：高速流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核可達(dá)25MIPS全速非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口；片內(nèi)帶PGA真正12位100ksps的8通道ADC；模擬多路開(kāi)關(guān)，兩個(gè)12位DAC，可編程更新時(shí)序；64K字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器；4352(4096+256字節(jié)的片內(nèi)RAM)；可尋址64K字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口；硬件實(shí)現(xiàn)的SPI SMBus／I C 和兩個(gè)UART 串行接口；5個(gè)通用的16位定時(shí)器；具有5個(gè)捕捉／比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/片內(nèi)看門狗定時(shí)器VDD監(jiān)視器和溫度傳感器

8051固件片內(nèi)JTAC調(diào)試電路，允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入式不占用片內(nèi)資源全速在系統(tǒng)調(diào)試，該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、單步及運(yùn)行和停機(jī)命令。在使用JTAG調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行，每個(gè)MCU都可在工業(yè)溫度范圍_45。C~1+85。C內(nèi)，使用2．7V-3．6V 的電壓，工作端口I／O／RST和JTAG 引腳都容許5V 的輸入信號(hào)電壓。

2．2 A／D模塊

A／D轉(zhuǎn)換部件采用Σ一△轉(zhuǎn)換技術(shù)，真正的高速高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換，采取特殊算法及硬件處理實(shí)現(xiàn)16位以上精度。

2．3通訊模塊

標(biāo)準(zhǔn)配置設(shè)計(jì)RS232串口，方便與PC機(jī)通迅，PC機(jī)上的程序采用VB編制，根據(jù)具體的機(jī)型修改下位機(jī)的工作參數(shù)。這樣只要將上位機(jī)程序安裝在筆記本電腦中，可以方便現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)、修改整定參數(shù)。

2．4顯示及鍵盤模塊

采用低溫液晶顯示，自制各種中文字庫(kù)，鍵盤采用輕觸銀漿按鍵，可以適應(yīng)各種溫度條件。

3軟件設(shè)計(jì)

3．1下位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)：

使用Keil C51 V7．0來(lái)進(jìn)行軟件的編寫和調(diào)試，全部代碼用C語(yǔ)言完成，利用Keil支持的RTX51 Tiny嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為工具。該操作系統(tǒng)是一個(gè)準(zhǔn)并行的多任務(wù)環(huán)境，和Windows等現(xiàn)代操作系統(tǒng)相似，就是將CPU的時(shí)鐘切割成很小的等量時(shí)間片，然后分配給每個(gè)任務(wù)，當(dāng)這個(gè)任務(wù)執(zhí)行了給定的時(shí)間片斷之后，還未完成，則保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)之后，跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)任務(wù)執(zhí)行，這樣不斷的循環(huán)執(zhí)行之，實(shí)際上，同一時(shí)刻只有一個(gè)任務(wù)在執(zhí)行，但是由于時(shí)間片非常短，一般為1Ores數(shù)量級(jí)，所以相對(duì)上來(lái)說(shuō)，就相當(dāng)于多個(gè)任務(wù)在同時(shí)執(zhí)行了。RTX51最小模式最多可支持16個(gè)任務(wù)，很少的內(nèi)部RAM及ROM，不需要擴(kuò)展外部RAM，它利用51內(nèi)部的定時(shí)0來(lái)產(chǎn)生報(bào)時(shí)，能滿足大多數(shù)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的需要。

利用RTX51操作系統(tǒng)的準(zhǔn)并行特性，對(duì)任務(wù)模塊進(jìn)行大小適當(dāng)?shù)膭澐郑?duì)各個(gè)任務(wù)問(wèn)的通信和時(shí)延進(jìn)行仔細(xì)的確認(rèn)。要指出的是在RTX51下進(jìn)行多任務(wù)編程和以往的順序單任務(wù)編程有以下幾個(gè)值得注意的不同點(diǎn)：

(1)多任務(wù)編程CPU是輪流執(zhí)行每個(gè)任務(wù)，所以可以將每個(gè)任務(wù)設(shè)計(jì)成死循環(huán)的模式，不斷重復(fù)的進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算或者訪問(wèn)硬件，也不會(huì)影響別的任務(wù)的執(zhí)行，當(dāng)一個(gè)任務(wù)的數(shù)據(jù)計(jì)算完成之后，可以通過(guò)os__ wait函數(shù)將CPU交出執(zhí)行別的任務(wù)；而傳統(tǒng)的大循環(huán)順序單任務(wù)模式卻獨(dú)占了所有的CPU資源，尤其全局變量多時(shí)，時(shí)常得擔(dān)心是否執(zhí)行時(shí)問(wèn)太長(zhǎng)而不能及時(shí)響應(yīng)外部的異步事件。

3．2數(shù)字濾波

本文測(cè)量一個(gè)相對(duì)不變的直流信號(hào)及應(yīng)變儀輸出，可以用過(guò)采樣和求均值技術(shù)改善有效分辨率。

如果一個(gè)稱重裝置必須測(cè)量一個(gè)寬范圍的重量而同時(shí)又要能分辨很小的重量變化則過(guò)采樣和求均值能提高測(cè)量的有效分辨率。

對(duì)ADC測(cè)量數(shù)據(jù)求均值等價(jià)于一個(gè)降采樣低通濾波器，實(shí)現(xiàn)過(guò)采樣和低通濾波器的數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程通常被稱為插補(bǔ)，從這個(gè)意義上說(shuō)用過(guò)采樣實(shí)現(xiàn)兩個(gè)12位ADC碼之間的插值求均值的樣本數(shù)量越大則低通濾波器的選擇性越強(qiáng)插值的效果就越好。因此可以達(dá)到16位以上的分辨率，適應(yīng)稱重的要求。

但是由于過(guò)采樣是以犧牲時(shí)間來(lái)提高精度，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的產(chǎn)品，本文采用特殊處理的硬件、軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，避免了系統(tǒng)數(shù)據(jù)建立延遲，可以在系統(tǒng)要求的時(shí)延內(nèi)達(dá)到18位以上精度，同時(shí)滿足采樣的實(shí)時(shí)顯示，真正做到智能稱重儀表的要求。

3．3溫度補(bǔ)償

由于環(huán)境溫度的周期性變化，對(duì)應(yīng)的傳感器的精度受溫度影響較大，本文采用的SOC自己帶有溫度傳感器，可以按照環(huán)境溫度的變化特性來(lái)實(shí)時(shí)更新精度矯正系數(shù)，真正達(dá)到智能化稱重儀表的功能。

4結(jié)束語(yǔ)

多任務(wù)編程還有另外一個(gè)缺點(diǎn)就是資源沖突和重入問(wèn)題，解決資源沖突和重入的方法可以參考相關(guān)文獻(xiàn)。

本系統(tǒng)實(shí)際使用證明：本系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，實(shí)時(shí)性比采用傳統(tǒng)C51編程更加優(yōu)越，可靠性更高。本系統(tǒng)在SOC單片機(jī)上采用了RTx51嵌入式操作系統(tǒng)，在智能稱重儀表應(yīng)用領(lǐng)域具有一定的超前意義。

 

 

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