單片機(jī)多任務(wù)操作的多功能采集卡設(shè)計(jì)

阿占文 馮清香

(華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院1，湖北 武漢 430074;華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院2，湖北 武漢 430074)

0 引言

在工業(yè)控制領(lǐng)域，數(shù)據(jù)采集卡是必不可少的硬件。位移、轉(zhuǎn)速、壓力、電流、電壓轉(zhuǎn)矩等信號(hào)一般通過傳感器轉(zhuǎn)化為電壓或電流輸出，由采集卡負(fù)責(zé)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并交由計(jì)算機(jī)處理。采集卡的核心芯片一般為單片機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processing，DSP)，配上外圍元件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集［1－3］。本設(shè)計(jì)運(yùn)用單片機(jī)的多任務(wù)操作方式，利用STC12C5A60S2單片機(jī)的定時(shí)器計(jì)數(shù)模式，實(shí)現(xiàn)了頻率采集。同時(shí)，采用可編程計(jì)數(shù)陣列模塊的PWM模式，實(shí)現(xiàn)了D/A輸出。最后采用自帶的A/D模塊和一個(gè)125 Ω的精密電阻，實(shí)現(xiàn)了電壓、電流采集，并由I/O口輸出開關(guān)量。

1 多功能采集卡的總體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的采集卡運(yùn)用在HJD-DJ1型電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上，需要完成以下任務(wù)。

①采集電流傳感器JLKT-7和電壓傳感器JLBV-16的信號(hào)，輸出分別為0～20 mA電流和0～5 V電壓。

②采集轉(zhuǎn)矩傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器ORT-803的信號(hào)，輸出為(10±5)kHz(正反雙向測(cè)量值)。

③ D/A輸出0～5 V，控制磁粉加力器。

④開關(guān)量輸出控制變頻器通斷。

⑤串口通信，傳回采集數(shù)據(jù)，與上位機(jī)通信。

1.1 多任務(wù)模式軟件總體設(shè)計(jì)

多任務(wù)模式如圖1所示。

圖1 多任務(wù)模式示意圖Fig.1 Schematic diagram of the multi-tasking mode

單片機(jī)因主頻低、外設(shè)少等原因，在實(shí)際運(yùn)用中必須進(jìn)行代碼優(yōu)化，同時(shí)要充分利用其外設(shè)進(jìn)行多任務(wù)模式操作［4－5］。首先對(duì)每個(gè)任務(wù)規(guī)定一個(gè)時(shí)間段，由定時(shí)器中斷刷新各個(gè)任務(wù)狀態(tài)標(biāo)志變量;然后在主函數(shù)中分別查詢每個(gè)任務(wù)的狀態(tài)標(biāo)志，若某一任務(wù)預(yù)設(shè)時(shí)間到，則執(zhí)行該任務(wù)，否則查詢下一任務(wù)。這樣在實(shí)際的運(yùn)行中便呈現(xiàn)出多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行［6］。

在單片機(jī)程序中，將CPU合理地分配給每個(gè)任務(wù)是多任務(wù)操作模式的關(guān)鍵。系統(tǒng)的最小執(zhí)行時(shí)間段取決于各個(gè)任務(wù)執(zhí)行所需最小時(shí)間，以保證每個(gè)任務(wù)在時(shí)間段內(nèi)執(zhí)行完畢。對(duì)采集卡來說，如果設(shè)定時(shí)間段太小，則有些功能無法執(zhí)行完;如果太長(zhǎng)，則降低了效率。因?yàn)樽詈臅r(shí)的串口通信和A/D轉(zhuǎn)換已經(jīng)細(xì)分，綜合考慮各個(gè)任務(wù)的耗時(shí)，最小執(zhí)行時(shí)間段確定為5 ms，即定時(shí)器每5 ms中斷刷新計(jì)時(shí)變量，各個(gè)任務(wù)預(yù)設(shè)時(shí)間必須是5 ms的整數(shù)倍，且互相不可整除。另外，還要確定各個(gè)任務(wù)的外設(shè)資源分配情況。預(yù)設(shè)時(shí)間和外設(shè)分配如表1所示。

表1 各個(gè)任務(wù)預(yù)設(shè)時(shí)間表Tab.1 Preset time table of each task

1.2 多功能采集卡的硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的多功能采集卡由單片機(jī)最小系統(tǒng)、RC濾波網(wǎng)絡(luò)、D/A輸出的功率放大電路、用于測(cè)量電流的125 Ω精密電阻和各個(gè)引腳1 kΩ的限流電阻組成［2］。其中，功率放大電路由光耦實(shí)現(xiàn)。采集卡連線如圖2所示。

圖2 采集卡連線圖Fig.2 Wirings of the acquisition module

2 多任務(wù)操作模式的實(shí)現(xiàn)

2.1 定義任務(wù)結(jié)構(gòu)體

為避免在主函數(shù)中反復(fù)調(diào)用任務(wù)處理函數(shù)，定義一個(gè)任務(wù)結(jié)構(gòu)體，這也是任務(wù)管理函數(shù)的核心。具體代碼如下。

2.2 任務(wù)管理和處理函數(shù)

根據(jù)表1中各個(gè)任務(wù)的預(yù)設(shè)時(shí)間，按照任務(wù)結(jié)構(gòu)體的運(yùn)用程序流程圖編寫任務(wù)管理函數(shù)task_manager()，并在主定時(shí)器中直接調(diào)用。編寫的任務(wù)處理函數(shù)task_process()用來檢測(cè)每個(gè)任務(wù)的允許運(yùn)行變量，并在允許的情況下執(zhí)行任務(wù)。任務(wù)處理函數(shù)流程圖如圖3所示。

圖3 任務(wù)處理函數(shù)流程圖Fig.3 Flowchart of task processing function

2.3 任務(wù)的細(xì)分

對(duì)于多任務(wù)操作，每個(gè)任務(wù)必須在規(guī)定的時(shí)間片完成，所以單個(gè)任務(wù)時(shí)間不可太長(zhǎng)，否則會(huì)影響其他任務(wù)，使整個(gè)程序效率降低。但在數(shù)據(jù)采集中有一些功能耗時(shí)比較長(zhǎng)，如串口通信和A/D模塊。針對(duì)這種問題就要進(jìn)行任務(wù)細(xì)分，一般將一個(gè)長(zhǎng)任務(wù)劃分為初始化、執(zhí)行、返回等部分，這樣就使得一個(gè)耗時(shí)比較長(zhǎng)的任務(wù)變成多個(gè)短任務(wù)，保證了多任務(wù)模式的運(yùn)行。

上位計(jì)算機(jī)要求采集卡將所采集數(shù)據(jù)傳回時(shí)必須做出響應(yīng)。因?yàn)槎喙δ懿杉ㄋ杉臄?shù)據(jù)較多，若通過串口將數(shù)據(jù)傳回，則受限于串口通信的波特率，難以在短時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)。為此，通過利用一個(gè)巧妙的緩沖發(fā)送結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)分，從而解決該問題。具體代碼與下文A/D采集部分類似。

A/D采集部分也以同樣的方式進(jìn)行細(xì)分，具體代碼如下。

3 采集卡功能的軟件實(shí)現(xiàn)

在多功能采集實(shí)現(xiàn)過程中，采用軟件方式代替外圍硬件來實(shí)現(xiàn)大部分功能，具體方案如下。

利用STC12C5A60S2單片機(jī)的定時(shí)器1作為串口模塊的波特率發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)串口通信。定時(shí)器0則工作在計(jì)數(shù)模式，完成頻率采集功能。因?yàn)樵撔吞?hào)單片機(jī)定時(shí)器只有兩個(gè)，還需要一個(gè)主定時(shí)器來實(shí)時(shí)刷新任務(wù)標(biāo)志變量，所以利用可編程計(jì)數(shù)陣列模塊組成16位軟定時(shí)器實(shí)現(xiàn)該功能。普通采集卡進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換時(shí)一般通過專用芯片完成，這樣就增加了外圍的元件，本設(shè)計(jì)再次利用單片機(jī)提供的可編程計(jì)數(shù)陣列，以PWM模式輸出PWM波形，通過改變占空比并配合一個(gè)簡(jiǎn)單的RC低通濾波器實(shí)現(xiàn)D/A功能。采用自帶的A/D模塊和一個(gè)125 Ω的精密電阻，實(shí)現(xiàn)了電壓、電流采集。開關(guān)量可以用來控制變頻器的開關(guān)或LED燈的亮滅等，由I/O口輸出高低電平即可。下面具體討論D/A轉(zhuǎn)換和頻率采集功能的實(shí)現(xiàn)。

3.1 D/A轉(zhuǎn)換功能的PWM實(shí)現(xiàn)

D/A輸出在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用十分廣泛，比如電壓控制的變頻調(diào)速、磁粉加力器的力矩控制等。D/A轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)方法有兩種:一種是外接專用芯片，另一種是采用軟件實(shí)現(xiàn)。本文采用第二種方法，即首先利用STC12C5A60S2單片機(jī)的可編程計(jì)數(shù)陣列模塊的PWM模式，輸出不同占空比的方波，然后通過低通RC濾波器和功率放大即可實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換功能［8］?？删幊逃?jì)數(shù)陣列模塊的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 可編程計(jì)數(shù)陣列模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structural diagram of the programmable counting array module

PCA模塊輸出的占空與使用的捕獲寄存器［EPCnL，CCAPnL］有關(guān)，當(dāng) CL的值小于［EPCnL，CCAPnL］時(shí)，輸出為低;反之，則輸出為高。當(dāng)CL溢出時(shí)，［EPCnH，CCAPnH］的內(nèi)容裝載到［EPCnL，CCAPnL］，從而實(shí)現(xiàn)無干擾地更新PWM。

根據(jù)圖4所示結(jié)構(gòu)，可編寫實(shí)現(xiàn)PWM的代碼如下。

輸出不同占空比的PWM波形后，還不能得到模擬電壓，此時(shí)可以由RC網(wǎng)絡(luò)組成低通濾波器，濾波器將消除PWM波形的大部分高頻成分。從時(shí)域角度看，RC電路被充電到一個(gè)與PWM波形高電平占整個(gè)周期百分比(占空比)成正比的電壓電平。為了能得到相對(duì)平滑的直流電壓電平，RC濾波器必須有相對(duì)低的截止頻率。但是如果RC常數(shù)太大，則RC電壓上升到平滑電平的時(shí)間就會(huì)過長(zhǎng)，在兩者之間進(jìn)行折中，選擇合適的電阻電容值［7－8］。

3.2 頻率采集的實(shí)現(xiàn)

頻率采集功能和D/A功能一樣，可以由專用芯片完成，本文使用定時(shí)器0的計(jì)數(shù)模式實(shí)現(xiàn)。由P3.4引腳輸入脈沖信號(hào)，定時(shí)器開始計(jì)數(shù);然后在主函數(shù)中用一個(gè)規(guī)定的時(shí)間間隔來查詢計(jì)數(shù)值，根據(jù)計(jì)數(shù)值和規(guī)定的時(shí)間間隔，可以換算得到當(dāng)前頻率。頻率采集函數(shù)部分代碼如下:

4 結(jié)束語

HJD-DJ1型電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際應(yīng)用表明，整個(gè)采集卡代碼數(shù)量減少了2/3，且流程清晰，維護(hù)性、可讀性明顯好于普通采集程序，并且降低了硬件成本。當(dāng)工作在極限的情況下，所有任務(wù)一起運(yùn)行時(shí)，因?yàn)椴杉瘮?shù)據(jù)較多，串口通信稍有延遲，可見所設(shè)計(jì)的采集卡適用于大部分一般要求的場(chǎng)合。文獻(xiàn)［4］還用到了一種新的多任務(wù)模式，其任務(wù)切換效率更高，但對(duì)開發(fā)者要求較高。該采集卡現(xiàn)已應(yīng)用于HJD－DJ1型電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)。使用結(jié)果表明，該采集卡的使用使程序的可讀性和可維護(hù)性都有所提高。

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