淺談嵌入式在地鐵雜散電流監(jiān)測裝置的設(shè)計

1 地鐵雜散電流產(chǎn)生原理

地鐵牽引供電一般為直流供電，而當(dāng)直流大電流沿地面敷設(shè)的軌道流動時，直流電流除了在軌道中流動外，還會從軌道泄漏到大地，在大地中的各種金屬物體上流動，然后再回到電源系統(tǒng)。這部分泄漏出來的電流稱為雜散電流，在地鐵工程中又稱為迷流，如圖0所示。由于雜散電流對埋入地下金屬產(chǎn)生腐蝕作用，就可能使得某些地方的地下金屬在自然腐蝕的同時又受到嚴(yán)重的雜散電流電腐蝕作用，導(dǎo)致地鐵電化腐蝕速度加快。

2  實驗室模擬裝置的設(shè)計

由于地下鐵道的特殊環(huán)境，理論上和實際中都難以在現(xiàn)場進行實驗，因此這類課題的研究和實驗，多數(shù)情況下往往要在實驗室里進行，圖1是自行設(shè)計的一個實驗室模擬地下鐵道雜散電流的產(chǎn)生和對地下金屬腐蝕作用的實驗裝置。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件以SST89C51 和8位ADC 芯片AD0809 為核心，具有鍵盤控制和液晶顯示功能，該系統(tǒng)還具有實時時間顯示和看門狗功能，可以通過RS232接口與外部（微機） 通信。系統(tǒng)的軟件以實時嵌入式操作系統(tǒng)ucos2 為基礎(chǔ)，采用多任務(wù)機制，通過任務(wù)調(diào)度和任務(wù)監(jiān)視，系統(tǒng)具有較好的實時性和安全性。ucosII 是源碼公開的實時嵌入式操作系統(tǒng)，采用優(yōu)先級調(diào)度算法完成任務(wù)間的調(diào)度，并支持搶占式調(diào)度。ucosII具有可裁減的體系結(jié)構(gòu)，μC/OS-II是一種可移植的，可植入ROM的，可裁剪的，搶占式的，實時多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核。它被廣泛應(yīng)用于微處理器、微控制器和數(shù)字信號處理器。嚴(yán)格地說uC/OS-II只是一個實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，它僅僅包含了任務(wù)調(diào)度，任務(wù)管理，時間管理，內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信和同步等基本功能。沒有提供輸入輸出管理，文件系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)等額外的服務(wù)。但由于uC/OS-II良好的可擴展性和源碼開放，這些非必須的功能完全可以由用戶自己根據(jù)需要分別實現(xiàn)μC/OS-II 的前身是μC/OS,并把μC/OS 的源碼發(fā)布在該雜志的 BS上。并具有內(nèi)存管理、中斷管理和任務(wù)控制塊（TCB） 擴展的功能。ucosII還提供很多系統(tǒng)服務(wù)，例如郵箱、消息隊列、信號量等等。還具有可移植性好，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。

3.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖2 所示。各電阻電壓信號經(jīng)過隔離放大，然后通過線性光耦的隔離后，別傳送到多路采集A/D轉(zhuǎn)換芯片0809的輸入端進行數(shù)據(jù)采集。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量被單片機讀入，經(jīng)處理后可，在液晶上顯示出具體數(shù)據(jù)。同時也可以由通信接口讀入微機進行進一步的處理和分析。液晶有系統(tǒng)提示和實時時間顯示，可以通過鍵盤進行選擇和控制。

A/D轉(zhuǎn)換可采用價格低廉又通用的8位逐次逼近式ADC ADC,即移動ADC,是ApplicatiON data center的縮寫，其實是ASP模式與IDC業(yè)務(wù)的結(jié)合的演變，是由中國移動推出的一項移動信息化產(chǎn)品業(yè)務(wù)，主要針對中小企業(yè)，屬于移動信息化的行業(yè)應(yīng)用，業(yè)務(wù)主要包括有移動OA、手機郵箱、無線網(wǎng)站以及移動進銷存等四款行業(yè)應(yīng)用托管解決方案。AD轉(zhuǎn)換就是模數(shù)轉(zhuǎn)換，顧名思義，就是把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。，適合數(shù)據(jù)采集，轉(zhuǎn)換時間可達100 us .系統(tǒng)外部擴展32 kROM 和RAM ,供緩存數(shù)據(jù)和存貯程序。液晶采用日立公司系列產(chǎn)品中的D44780 ,可以顯示16字×2行的字符模組。時間芯片采用的是M48T86 ,具有實時時間和日歷顯示功能。整個系統(tǒng)采用全地址譯碼法，外部設(shè)備和存儲器統(tǒng)一編址。

3.3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.3.1 傳統(tǒng)的程序流程

一個典型的單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序通常包括輸入/ 輸出控制、數(shù)據(jù)處理和顯示、鍵盤管理等模塊。程序采用循環(huán)方式，流程如圖3所示。

可以看到，傳統(tǒng)的程序是基于單任務(wù)機制的，各個模塊構(gòu)成一個整體，作為一個任務(wù)運行。在實際應(yīng)用中，這種程序的安全性差，只要一個系統(tǒng)的設(shè)計模塊出了錯誤，整個系統(tǒng)工作就會被打亂，只有利用看門狗進行復(fù)位。這對于比較復(fù)雜的系統(tǒng)，在實際運行中看門狗就會頻繁地發(fā)生復(fù)位操作。而且由于數(shù)據(jù)采集和鍵盤程序的執(zhí)行頻率可能相差很多，這樣對系統(tǒng)的定時要求就會很高，傳統(tǒng)的程序流程對實時性就難以很好地滿足。

3.3.2  基于ucosII 的系統(tǒng)程序流程

基于ucosII 的程序流程如圖4所示。程序中，每個模塊對應(yīng)一個任務(wù)，彼此之間是并行的，但每個模塊都對應(yīng)著一個不同的優(yōu)先級，由操作系統(tǒng)進行調(diào)度運行。系統(tǒng)可以通過監(jiān)控模塊對其他模塊的工作進行監(jiān)控，從而減少看門狗的復(fù)位次數(shù)。而且通過ucosII 內(nèi)核的任務(wù)調(diào)度，系統(tǒng)的實時性會提高很多。

3. 4  任務(wù)的劃分和構(gòu)成

系統(tǒng)中并行存在的幾個任務(wù)按優(yōu)先級從高到低依次是：顯示任務(wù)、鍵盤管理任務(wù)、輸出任務(wù)、各路數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集任務(wù)和數(shù)據(jù)處理任務(wù)。系統(tǒng)采用靜態(tài)優(yōu)先級，這樣系統(tǒng)的控制會相對比較簡單。

系統(tǒng)中的每個任務(wù)包括應(yīng)用程序、任務(wù)堆棧以及任務(wù)控制塊（ TCB） 三部分。任務(wù)控制塊是一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)任務(wù)的CPU 使用權(quán)被剝奪時，ucosII 用它來保存該任務(wù)的狀態(tài)。當(dāng)任務(wù)重新獲得CPU 的使用權(quán)時，任務(wù)控制塊能確保任務(wù)從被中斷的那一點執(zhí)行下去。操作系統(tǒng)可以通過查詢?nèi)蝿?wù)控制塊的內(nèi)容從而對任務(wù)進行管理。系統(tǒng)中任務(wù)的狀態(tài)有5 種：休眠態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)、中斷服務(wù)和等待態(tài)。狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換如圖5所示。

休眠態(tài)時任務(wù)駐留在程序空間中，還沒有交給uc/ os2II 管理。當(dāng)任務(wù)一旦建立，就進入就緒態(tài)。就緒態(tài)中優(yōu)先級最高的任務(wù)轉(zhuǎn)為運行態(tài)。如果系統(tǒng)的運行導(dǎo)致就緒態(tài)中的一個任務(wù)優(yōu)先級高于運行態(tài)的任務(wù)優(yōu)先級，則系統(tǒng)通過調(diào)度使運行態(tài)任務(wù)喪失對CPU 的控制權(quán)轉(zhuǎn)為等待態(tài)或者就緒態(tài)，轉(zhuǎn)而運行就緒態(tài)中的那個任務(wù)。這樣就實現(xiàn)了任務(wù)的切換。

每個處于等待態(tài)的任務(wù)都對應(yīng)一個等待時間，時間管理函數(shù)可將等待時間已過的等待態(tài)的任務(wù)轉(zhuǎn)為就緒態(tài)，這實際上也就是時鐘中斷的中斷服務(wù)程序。

3.5 任務(wù)的通信和調(diào)度

本系統(tǒng)中任務(wù)間的通信采用消息隊列來完成的。消息隊列是uc/ os2II 中的一種通信機制，可以使一個任務(wù)或者中斷服務(wù)子程序向另一任務(wù)發(fā)送以指針方式定義的變量。為方便易用，采用消息隊列，用于數(shù)據(jù)采集任務(wù)、數(shù)據(jù)處理任務(wù)、鍵盤管理任務(wù)、輸出任務(wù)、顯示任務(wù)之間的通信。系統(tǒng)通過隊列控制塊來管理消息隊列，每個消息隊列對應(yīng)一個隊列控制塊。消息的存取基于優(yōu)先級原則，隊列控制塊中等待任務(wù)列表內(nèi)優(yōu)先級任務(wù)最高的任務(wù)先從消息隊列中取消息，系統(tǒng)采用搶占式內(nèi)核，調(diào)度函數(shù)總是保證優(yōu)先級最高的就緒態(tài)任務(wù)轉(zhuǎn)為運行態(tài)。當(dāng)就緒態(tài)的任務(wù)搶占CPU 時，系統(tǒng)執(zhí)行一次中斷服務(wù)程序。當(dāng)任務(wù)中的消息發(fā)送完成以及中斷返回時，系統(tǒng)調(diào)用調(diào)度函數(shù)，將任務(wù)從等待態(tài)轉(zhuǎn)為就緒態(tài)，這樣就緒態(tài)中任務(wù)的最高優(yōu)先級就會發(fā)生變化，進而影響到運行態(tài)和就緒態(tài)間的任務(wù)切換。

4  系統(tǒng)的工作過程

本系統(tǒng)采用兩種方式顯示采集電流的大小，循環(huán)顯示和指定顯示，在正常工作情況下，采用循環(huán)顯示方式顯示8路采集電流大小，每采集完一路電壓，就向數(shù)據(jù)處理任務(wù)發(fā)送一條消息，而數(shù)據(jù)處理任務(wù)每處理完一路就向顯示任務(wù)發(fā)送一條消息，由于鍵盤掃描任務(wù)優(yōu)先級比數(shù)據(jù)采集任務(wù)最高，每當(dāng)用戶鍵盤選擇時，就搶斷當(dāng)前采集任務(wù)，而去處理用戶需要選擇的那路電壓，并相應(yīng)顯示。當(dāng)采集電流超過一定標(biāo)準(zhǔn)時，系統(tǒng)會報警，以告之監(jiān)測人員，另外本系統(tǒng)還留有串行232接口，用于和微機通信，以儲存雜散電流的歷史情況

5  結(jié)束語

本系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試，軟硬件工作均正常。實驗證明，本系統(tǒng)較傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在安全性和實時性方面都有了很大的提高，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括了：可視化的報表定義、審核關(guān)系的定義、報表的審批和發(fā)布、數(shù)據(jù)填報、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)評審、綜合查詢統(tǒng)計等功能模塊。通過信息采集網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化，擴大數(shù)據(jù)采集的覆蓋范圍，提高審核工作的全面性、及時性和準(zhǔn)確性；最終實現(xiàn)相關(guān)業(yè)務(wù)工作管理現(xiàn)代化、程序規(guī)范化、決策科學(xué)化，服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化。完全能夠適應(yīng)復(fù)雜系統(tǒng)的需要。隨著網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用有著更廣闊的空間。