基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS—II1的手持瓦斯檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

引言

近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、通信技術(shù)和智能化技術(shù)的迅速發(fā)展，瓦斯檢測(cè)技術(shù)得到大力研究和開發(fā)。為開發(fā)新一代微處理器控制的智能化瓦斯檢測(cè)報(bào)警儀創(chuàng)造了條件。本次設(shè)計(jì)的瓦斯檢測(cè)儀是采用了以ARM微處理器為核心的智能檢測(cè)控制設(shè)備，它不僅采用20世紀(jì)90年代國(guó)際先進(jìn)的單片機(jī)微處理技術(shù)，還具有下列特點(diǎn)：

①集瓦斯檢測(cè)、時(shí)鐘顯示于一體；

② 實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)零和校準(zhǔn)；

③采用儀用放大器，可自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程，提高了測(cè)量精度，測(cè)值報(bào)警準(zhǔn)確；

④采用USB通信接口實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)上傳，具備通信功能；

⑤采用大容量FLASH作存儲(chǔ)體，可存放上萬(wàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)；

⑥ 采用按鍵實(shí)現(xiàn)功能選擇和數(shù)據(jù)輸入，操作簡(jiǎn)單，便于使用；

⑦采用本安型電源，實(shí)現(xiàn)充電自控管理。

1 引入嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μCIOS—II的意義

智能瓦斯檢測(cè)設(shè)備集各種功能于一身，不僅要實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊臄?shù)據(jù)采集、控制報(bào)警等基本功能，而且還要實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)、隨時(shí)接受鍵盤輸入。除此之外，還要具有友好的人機(jī)界面以及上傳數(shù)據(jù)等通信功能。如果采用傳統(tǒng)的順序結(jié)構(gòu)編程思想，將很難保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性要求，無(wú)法對(duì)各個(gè)對(duì)象的實(shí)時(shí)信息以足夠快的速度處理并做出快速響應(yīng).

其程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜性也將大大提高，不利于程序的后期維護(hù)和修改。而實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能對(duì)運(yùn)行情況的最好和最壞等情況作出精確的估計(jì)。其實(shí)時(shí)性要比前后臺(tái)系統(tǒng)要好得多，系統(tǒng)能及時(shí)響應(yīng)外部異步事件的請(qǐng)求，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)該事件的處理，并控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致地運(yùn)行。

本次從實(shí)際情況出發(fā)，選擇μC/OS—II作為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，讓它管理各個(gè)應(yīng)用程序，達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)資源的目的。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 手持瓦斯檢測(cè)儀的組成和工作原理

手持瓦斯檢測(cè)儀的原理框圖如圖1所示。

工作時(shí)，瓦斯?jié)舛冉?jīng)檢測(cè)單元轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)運(yùn)放單元的放大調(diào)理，然后送入CPU的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；CPU根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行邏輯分析判斷，和預(yù)先設(shè)計(jì)的報(bào)警閾值進(jìn)行比較，若超出閾值則進(jìn)行聲光報(bào)警。而后可通過(guò)鍵盤的操作實(shí)現(xiàn)檢測(cè)地點(diǎn)的輸入、檢測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置等功能。檢測(cè)的濃度、檢測(cè)時(shí)間、輸入的地點(diǎn)、相應(yīng)功能界面等數(shù)據(jù)參數(shù)通過(guò)LCD顯示出來(lái)。各種數(shù)據(jù)通過(guò)鍵盤進(jìn)行設(shè)定，并保存在FLASH中，隨時(shí)可進(jìn)行更改和查看。檢測(cè)儀還可以通過(guò)USB通信協(xié)議和Pc機(jī)雙向通信，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的傳輸、濃度變化態(tài)勢(shì)的分析等功能。電源單元為以上各個(gè)單元模塊提供能量。

2.2 關(guān)鍵電路單元設(shè)計(jì)

2.2.1 檢測(cè)單元

檢測(cè)單元電路也就是傳感器電路，由催化元件和電阻組成的橋路，實(shí)現(xiàn)濃度非電信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)功能。其檢測(cè)原理為：利用敏感元件（俗稱黑白元件）對(duì)瓦斯的催化作用使瓦斯在元件表面上發(fā)生無(wú)焰燃燒，放出熱量使元件溫度上升，增加了敏感元件鉑絲的電阻值，通過(guò)惠斯登電橋測(cè)量電路，可以測(cè)量其敏感元件電阻值變化量。

2.2.2 運(yùn)放單元

運(yùn)放單元由放大電路和量程轉(zhuǎn)換電路組成，實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大、調(diào)理和量程轉(zhuǎn)換功能。如圖2所示。

2.2.3 鍵盤單元

本次設(shè)計(jì)中采用專用的鍵盤接口芯片ZLG7290。ZLG7290采用I2C串行接口，提供鍵盤中斷信號(hào)，方便與處理：器連接，可采用多達(dá)64個(gè)按鍵，可檢測(cè)每個(gè)按鍵的連擊次數(shù)，具備鍵盤去抖處理、雙鍵互鎖處理、連擊處理和功能鍵處理等功能。具體的連接電路圖如圖3所示。

2.2.4 顯示單元

顯示單元是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的一個(gè)重要手段，本次設(shè)計(jì)中采用液晶顯示屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。本次設(shè)計(jì)使用的MG12864A點(diǎn)陣圖形液晶模塊的點(diǎn)像素為128×64點(diǎn)。黑色字，白色底，STN液晶屏，視角為6：00，內(nèi)嵌控制器為ksO107/ks0108，外部顯示存儲(chǔ)器為32K字節(jié)。采用8位總線接口與微控制器連接，內(nèi)部集成了負(fù)壓DC—DC電路，使用負(fù)壓DC—DC電路，使用單5 V電源。

2.2.5 存儲(chǔ)單元

由于LPC2210微控制器沒(méi)有片內(nèi)程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，根據(jù)系統(tǒng)的需要，必須設(shè)計(jì)存儲(chǔ)系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)通過(guò)微控制器的外部總線接口來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用SST公司的CMOS多功能FLASH器件SST39VF160，存儲(chǔ)容量為2M字節(jié)（容量大小的計(jì)算具體詳見(jiàn)軟件部分），l6位數(shù)據(jù)寬度（即一個(gè)字為2個(gè)字節(jié)），工作電壓為2.7—3.6 V。該芯片采用高性能的Super.

Flash技術(shù)（該技術(shù)提供了固定的擦除和編程時(shí)間）制造而成，與擦除/編程周期數(shù)無(wú)關(guān)。該芯片采用48腳TSOP封裝，十分適合做手持設(shè)備的數(shù)據(jù)和程序積存器。

3 軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)儀的軟件實(shí)際主要包括嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核設(shè)計(jì)、用戶應(yīng)用程序設(shè)計(jì)、通信程序3部分。

3.1 總體設(shè)計(jì)思想

軟件系統(tǒng)引入嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS—II，整個(gè)系統(tǒng)都在μC/OS—II的管理下運(yùn)行。程序設(shè)計(jì)有別于傳統(tǒng)的順序結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，程序雖然有主程序，但主程序并不完成某種特定的功能，而只是對(duì)一些軟硬件、實(shí)時(shí)變量、全局變量以及操作系統(tǒng)進(jìn)行初始化，并且建立一個(gè)任務(wù)，然后啟動(dòng)操作系統(tǒng)而已；最后系統(tǒng)就把CPμ控制權(quán)交給操作系統(tǒng)，永遠(yuǎn)不會(huì)返回主程序。通過(guò)操作系統(tǒng)調(diào)度，實(shí)時(shí)采集的外部CH4濃度轉(zhuǎn)變成的電壓電流信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算、判斷，輸出控制信號(hào)或者報(bào)警，實(shí)現(xiàn)儀器的檢測(cè)功能；而且操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤鍵盤輸入時(shí)間的中斷，實(shí)現(xiàn)輸入功能；實(shí)時(shí)跟蹤外部USB（或UART0）通信事件中斷，可保持和外部Pc機(jī)的通信。

3.2 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)核心的具體實(shí)現(xiàn)

本程序采用實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中的功能內(nèi)聚和時(shí)間內(nèi)聚方法，根據(jù)各個(gè)任務(wù)的重要性和實(shí)時(shí)性把應(yīng)用程序分成9個(gè)不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。包括傳感器啟動(dòng)、AD采樣、數(shù)據(jù)計(jì)算、聲光報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、機(jī)器白檢、鍵盤處理、LCD顯示、數(shù)據(jù)通信、空閑任務(wù)等，優(yōu)先級(jí)依次由高到低。任務(wù)越重要，實(shí)時(shí)性越強(qiáng)，其任務(wù)優(yōu)先級(jí)就越高，相反就越低。

3.3 USB通信

USB總線主要用于USB設(shè)備與USB主機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，特別為USB設(shè)備與USB主機(jī)之間大量數(shù)據(jù)的傳輸提供了高速、可靠的傳輸協(xié)議。采用飛利普的PDIUSBD12，它是一款性價(jià)比很高的USB器件，完全符合USB1.1版規(guī)范。PDIUSBD12具有8bit的數(shù)據(jù)總線接口DATA0～DATA7，片選引腳CS—N以及讀選通引腳RD.N和寫選通引腳WR，N。由此可見(jiàn)，PIDUSBD12的硬件接口和外部存儲(chǔ)器接口很相似，因此，可以當(dāng)作一片外部RAM芯片來(lái)進(jìn)行訪問(wèn)。對(duì)于工JPc2210微控制器，它的外部數(shù)據(jù)總線與地址總線是分開的。這時(shí)，PDIUSBD12的DATA0一DATA7可以直接與LPC2210的數(shù)據(jù)總線D0一D7直接相連就可以構(gòu)成訪問(wèn)PDIUSBD12的數(shù)據(jù)總線了。

如圖4所示。

3.4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)及說(shuō)明

所設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件是瓦斯報(bào)警儀數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)可以方便地將各種實(shí)時(shí)檢測(cè)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)中（主要數(shù)據(jù)包括“瓦斯?jié)舛取?、“檢測(cè)地點(diǎn)”、“檢測(cè)日期”及“檢測(cè)時(shí)間”），上位機(jī)的程序設(shè)計(jì)是通過(guò)Visual C++6.0完成的。

該軟件主要由數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、數(shù)據(jù)回顯模塊、數(shù)據(jù)打印模塊等組成，各自主要完成的功能如下：

①數(shù)據(jù)采集模塊是利用USB通訊完成，將下位機(jī)中的數(shù)據(jù)（BCD碼的形式）讀出，并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中作為歷史記錄。

②數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊是針對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作，當(dāng)采集出下位機(jī)中的數(shù)據(jù)后通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)一定的編程。將傳上來(lái)的數(shù)據(jù)按即定的格式存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

③數(shù)據(jù)查詢模塊是當(dāng)存儲(chǔ)了一定的數(shù)據(jù)后。按所操作的需要進(jìn)行查詢，將符合條件的記錄重新組合，并顯示出來(lái)。

④ 數(shù)據(jù)回顯將指定數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息以2種形式呈現(xiàn)出來(lái)。

一種是數(shù)據(jù)表格的形式；另一種是圖表的形式，該圖表要給人以直觀的感覺(jué)，繪出的曲線應(yīng)符合歷史曲線的要求。

⑤ 數(shù)據(jù)打印模塊是數(shù)據(jù)回顯的后續(xù)工作，可以將希望分析的表格或圖表打印出來(lái)，具體操作由操作人員定。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，檢測(cè)技術(shù)的提高，研發(fā)小型化、智能化、高性能的瓦斯檢測(cè)設(shè)備成為當(dāng)務(wù)之急。本設(shè)計(jì)對(duì)便攜式瓦斯檢測(cè)儀進(jìn)行了研究和探討，并已做出成型產(chǎn)品準(zhǔn)備用于煤礦瓦斯檢測(cè)。