基于S3C2440芯片和單片機設計壓裝數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計

引言

隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，我國的工業(yè)水平和信息技術水平也得到了飛速發(fā)展。其中工業(yè)中最為常見的零部件組裝和裝備壓裝監(jiān)測設備也得到了不斷的改進。壓裝的過程其實就是按規(guī)定的技術要求將零部件進行組培和連接，使之成為半成品或者成品的工藝過程。如圖1所示，就是將兩個零部件進行過盈無鍵組裝配合，使之牢固結(jié)合在一起。工業(yè)中很多機械設備都是通過這種壓裝方式組合到一起的，包括火車輪對、軸承、汽車發(fā)動機、變速器、底盤等關鍵部件。壓裝的質(zhì)量決定了以后產(chǎn)品的使用質(zhì)量和人民的生命財產(chǎn)都息息相關。我們知道壓裝質(zhì)量的評判標準，主要是根據(jù)壓裝過程中壓力和位移的變化曲線來確定的。而壓力位移曲線的獲取這就需要由良好的運行穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來提供?；诖?，本文提出一種基于UCOS-II的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在保證實時準確的數(shù)據(jù)的基礎上，使整個壓裝監(jiān)測設備能準確地實時監(jiān)測壓裝曲線，自動判斷壓裝結(jié)果，并將結(jié)果進行存儲和統(tǒng)計。

1 、壓裝監(jiān)測設備系統(tǒng)總述

如圖2所示，該壓裝監(jiān)測系統(tǒng)主要由兩部分組成，第一部分是由主控芯片S3C2440構(gòu)成核心控制和數(shù)據(jù)處理單元;它實現(xiàn)壓力位移的數(shù)據(jù)曲線圖繪制、數(shù)據(jù)的分析處理、數(shù)據(jù)的存儲以及人機交互相關功能的實現(xiàn)。第二部分是由C8051f060作為控制單元的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要的任務是數(shù)據(jù)實時采集、數(shù)據(jù)發(fā)送、指令的接收以及PLC控制。系統(tǒng)的大概工作流程如下：首先通過人機交互S3C2440發(fā)送指令給C8051f060，C8051f060處理指令之后通過PROFIBUS總線實現(xiàn)對PLC的開始或停止等相關操作，當接收到開始指令時，C8051f060會同時采集壓裝過程的位移和壓力數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)實時發(fā)送給S3C2440，最后S3C2440會對這些數(shù)據(jù)進行曲線圖繪制、結(jié)果判定等操作。

2 、壓裝數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本文的重點是對壓裝設備的采集系統(tǒng)進行論述。根據(jù)上面的系統(tǒng)總述，我們知道該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須達到以下方面的要求。第一，ADC的選擇，ADC必須是精度足夠高，由于同時采集壓力和位移數(shù)據(jù)，并且采集的數(shù)據(jù)量很大，所以必須選擇多通道的高速高精度AD轉(zhuǎn)換器。第二，數(shù)據(jù)傳輸能力，由于設備壓裝一次所需要的時間很短，為了保證采集之后的數(shù)據(jù)能迅速并實時地在ARM上繪制并判斷，所以數(shù)據(jù)傳輸必須采用高速的傳輸協(xié)議。第三，I/O口的數(shù)量，由于該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)除了采集數(shù)據(jù)之外，它還得實現(xiàn)對PLC的控制，所以在除去其它包括存儲芯片I/O，采集I/O，數(shù)據(jù)傳輸I/O等I/O口之外，必須還得留有多余的I/O口對PLC進去控制，所以I/O口數(shù)量要求比較多。

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計

鑒于以上要求，我們選取C8051f060作為該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制芯片。C8051f060是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU，里面具有兩個16位精度1Msps最高轉(zhuǎn)換速度的AD轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)直接存儲到RAM中，不需額外軟件開銷，可同時使用的硬件SMBus，高速SPI及兩個UART串行端口，具有 59 個數(shù)字 I/O 引腳。其中串口和SPI口都可直接和ARM連接無需其它驅(qū)動電路。傳感器方面，該系統(tǒng)采用壓力傳感器C9B，位移傳感器PY1，然后對其產(chǎn)生的電壓信號進行濾波放大送到單片機的AD采集端。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設計

由于該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是以8為單片機為控制控制芯片，它得同時處理數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換、SPI數(shù)據(jù)傳輸、串口接收、PLC控制等多個任務。而且對于壓裝系統(tǒng)來說，由于機器壓裝一次速度很快，并且所采集的數(shù)據(jù)量也很大，所采集及傳輸必須具有很高的實時性。如果用傳統(tǒng)的單片機編寫程序模式，它的程序規(guī)模會很大，系統(tǒng)調(diào)試復雜，特別在這種需要運行多個并行任務的情況，就顯得有些力不從心，更主要的是系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性很難得到保障。

所以本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用能實現(xiàn)多任務同時運行的UCOS-II實時操作系統(tǒng)。UCOS-II是有Micrium公司提供的一款可移植、可裁剪的小型多任務實時操作系統(tǒng)，它具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性優(yōu)良和擴展性良好的特點。雖然體積小但它包含了任務調(diào)度、任務管理、時間管理、內(nèi)存管理和任務間的通信和同步等功能。UCOS-II中最大可支持64個任務，分別對應優(yōu)先級為0—63，高優(yōu)先級任務可以搶占低優(yōu)先級CPU資源。多任務操作系統(tǒng)是把CPU的執(zhí)行分為多個很多個時間塊，任務A執(zhí)行完后它會把CPU的使用權交給任務B，而且高優(yōu)先級的任務每執(zhí)行會主動放棄一段CPU的使用時間，把使用權交給其它的任務，這樣多個任務依次輪轉(zhuǎn)運行，由于時間塊很短，這些任務就好像是在同步并行運行了。

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖3所示將其功能模塊劃分為四個任務：數(shù)據(jù)采集任務、數(shù)據(jù)發(fā)送任務、PLC通信任務、串口讀寫任務。

（1）數(shù)據(jù)采集任務：數(shù)據(jù)采集任務就是每次壓裝開始時，通過C8051f060單片機片內(nèi)的AD轉(zhuǎn)換器進行雙通道的數(shù)據(jù)采集，采集的速度為5kHz。并同時將采集到的數(shù)據(jù)通過DMA方式保存到片外RAM中去。壓裝停止時，停止采集。

（2）數(shù)據(jù)發(fā)送任務：數(shù)據(jù)發(fā)送任務是將放在片外RAM中所采集的壓力和位移數(shù)據(jù)，通過SPI協(xié)議傳輸給ARM處理器，ARM再對這些數(shù)據(jù)進行曲線圖繪制和壓裝結(jié)果的判斷等操作。在片外RAM沒有采集數(shù)據(jù)時，該任務會處于休眠等待狀態(tài)。

（3）PLC通信任務：該系統(tǒng)通過在C8051f060上設置了14個I/O口與PLC通信，7個輸入和7個輸出。該任務是一方面監(jiān)測ARM傳送過來的指令，然后對7個輸出口進行操作，另一方面不斷監(jiān)測7個輸入I/O口，觀察PLC有沒有發(fā)送指令給ARM。

（4）串口讀寫任務：串口讀寫任務簡單來講就是接收并讀取來自ARM經(jīng)過RS232發(fā)送過來的指令，然后發(fā)送PLC給ARM的一些信號。

其中最關鍵的核心任務是數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)采集這兩個任務。因為只有等運行采集任務，在片外RAM中保存了數(shù)據(jù)之后，數(shù)據(jù)發(fā)送任務才能發(fā)送。所以在任務的調(diào)度上為了協(xié)調(diào)好兩者的關系，于是在這兩個任務之中加入了一個任務之間通信的信號量。開始時信號量為0表示RAM中沒有采集的數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)發(fā)送任務不能進行，當RAM中保存了一個數(shù)據(jù)之后，信號量置1，數(shù)據(jù)發(fā)送任務就可以運行了，當數(shù)據(jù)發(fā)送速度大于數(shù)據(jù)的采集速度時，即RAM中的數(shù)據(jù)為零時，這時候信號量又置0，使得數(shù)據(jù)發(fā)送任務等待數(shù)據(jù)采集任務。所以加入信號量之后就能保證任務之間能正常有秩序的運行。

3 、總結(jié)

UCOS-II是一款實用性很強的小型嵌入式實時操作系統(tǒng)，隨著整個嵌入式行業(yè)的發(fā)展，它的應用也越來越廣泛，優(yōu)越性也愈加明顯。在此壓裝監(jiān)測設備上，筆者把它移植到了功能強大的C8051f060單片機上，通過多任務并行執(zhí)行調(diào)度方式，實現(xiàn)了壓裝監(jiān)測設備的一個核心單元，即實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。UCOS-II與C8051f060的結(jié)合，使得該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能實時準確地采集到壓力和位移數(shù)據(jù)，并快速的發(fā)送給上層處理單元，使得整個壓裝監(jiān)測設備能正常穩(wěn)定地運行，并取得預期效果。

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