淺談嵌入式在地鐵雜散電流監測裝置的設計

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，而當直流大電流沿地面敷設的軌道流動(dòng)時(shí)，直流電流除了在軌道中流動(dòng)外，還會(huì )從軌道泄漏到大地，在大地中的各種金屬物體上流動(dòng)，然后再回到電源系統。這部分泄漏出來(lái)的電流稱(chēng)為雜散電流，在地鐵工程中又稱(chēng)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(shí)又受到嚴重的雜散電流電腐蝕作用，導致地鐵電化腐蝕速度加快。

2 實(shí)驗室模擬裝置的設計

由于地下鐵道的特殊環(huán)境，理論上和實(shí)際中都難以在現場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗，因此這類(lèi)課題的研究和實(shí)驗，多數情況下往往要在實(shí)驗室里進(jìn)行，圖1是自行設計的一個(gè)實(shí)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(shí)驗裝置。

3 數據采集系統的設計

3.1 系統概述

本系統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(pán)控制和液晶顯示功能，該系統還具有實(shí)時(shí)時(shí)間顯示和看門(mén)狗功能，可以通過(guò)RS232接口與外部（微機） 通信。系統的軟件以實(shí)時(shí)嵌入式操作系統ucos2 為基礎，采用多任務(wù)機制，通過(guò)任務(wù)調度和任務(wù)監視，系統具有較好的實(shí)時(shí)性和安全性。ucosII 是源碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統，采用優(yōu)先級調度算法完成任務(wù)間的調度，并支持搶占式調度。ucosII具有可裁減的體系結構，μC/OS-II是一種可移植的，可植入ROM的，可裁剪的，搶占式的，實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統內核。它被廣泛應用于微處理器、微控制器和數字信號處理器。嚴格地說(shuō)uC/OS-II只是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統內核，它僅僅包含了任務(wù)調度，任務(wù)管理，時(shí)間管理，內存管理和任務(wù)間的通信和同步等基本功能。沒(méi)有提供輸入輸出管理，文件系統，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(kāi)放，這些非必須的功能完全可以由用戶(hù)自己根據需要分別實(shí)現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，結構簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 系統的硬件設計

系統的硬件組成框圖如圖2 所示。各電阻電壓信號經(jīng)過(guò)隔離放大，然后通過(guò)線(xiàn)性光耦的隔離后，別傳送到多路采集A/D轉換芯片0809的輸入端進(jìn)行數據采集。經(jīng)A/D轉換后的數字量被單片機讀入，經(jīng)處理后可，在液晶上顯示出具體數據。同時(shí)也可以由通信接口讀入微機進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析。液晶有系統提示和實(shí)時(shí)時(shí)間顯示，可以通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行選擇和控制。

A/D轉換可采用價(jià)格低廉又通用的8位逐次逼近式ADC ADC,即移動(dòng)ADC,是ApplicatiON data center的縮寫(xiě)，其實(shí)是ASP模式與IDC業(yè)務(wù)的結合的演變，是由中國移動(dòng)推出的一項移動(dòng)信息化產(chǎn)品業(yè)務(wù)，主要針對中小企業(yè)，屬于移動(dòng)信息化的行業(yè)應用，業(yè)務(wù)主要包括有移動(dòng)OA、手機郵箱、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)站以及移動(dòng)進(jìn)銷(xiāo)存等四款行業(yè)應用托管解決方案。AD轉換就是模數轉換，顧名思義，就是把模擬信號轉換成數字信號。，適合數據采集，轉換時(shí)間可達100 us .系統外部擴展32 kROM 和RAM ,供緩存數據和存貯程序。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(shí)間芯片采用的是M48T86 ,具有實(shí)時(shí)時(shí)間和日歷顯示功能。整個(gè)系統采用全地址譯碼法，外部設備和存儲器統一編址。

3.3 系統的軟件設計

3.3.1 傳統的程序流程

一個(gè)典型的單片機數據采集系統的程序通常包括輸入/ 輸出控制、數據處理和顯示、鍵盤(pán)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，傳統的程序是基于單任務(wù)機制的，各個(gè)模塊構成一個(gè)整體，作為一個(gè)任務(wù)運行。在實(shí)際應用中，這種程序的安全性差，只要一個(gè)系統的設計模塊出了錯誤，整個(gè)系統工作就會(huì )被打亂，只有利用看門(mén)狗進(jìn)行復位。這對于比較復雜的系統，在實(shí)際運行中看門(mén)狗就會(huì )頻繁地發(fā)生復位操作。而且由于數據采集和鍵盤(pán)程序的執行頻率可能相差很多，這樣對系統的定時(shí)要求就會(huì )很高，傳統的程序流程對實(shí)時(shí)性就難以很好地滿(mǎn)足。

3.3.2 基于ucosII 的系統程序流程

基于ucosII 的程序流程如圖4所示。程序中，每個(gè)模塊對應一個(gè)任務(wù)，彼此之間是并行的，但每個(gè)模塊都對應著(zhù)一個(gè)不同的優(yōu)先級，由操作系統進(jìn)行調度運行。系統可以通過(guò)監控模塊對其他模塊的工作進(jìn)行監控，從而減少看門(mén)狗的復位次數。而且通過(guò)ucosII 內核的任務(wù)調度，系統的實(shí)時(shí)性會(huì )提高很多。

3. 4 任務(wù)的劃分和構成

系統中并行存在的幾個(gè)任務(wù)按優(yōu)先級從高到低依次是：顯示任務(wù)、鍵盤(pán)管理任務(wù)、輸出任務(wù)、各路數據數據采集任務(wù)和數據處理任務(wù)。系統采用靜態(tài)優(yōu)先級，這樣系統的控制會(huì )相對比較簡(jiǎn)單。

系統中的每個(gè)任務(wù)包括應用程序、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(gè)數據結構，當任務(wù)的CPU 使用權被剝奪時(shí)，ucosII 用它來(lái)保存該任務(wù)的狀態(tài)。當任務(wù)重新獲得CPU 的使用權時(shí)，任務(wù)控制塊能確保任務(wù)從被中斷的那一點(diǎn)執行下去。操作系統可以通過(guò)查詢(xún)任務(wù)控制塊的內容從而對任務(wù)進(jìn)行管理。系統中任務(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)之間的轉換如圖5所示。

休眠態(tài)時(shí)任務(wù)駐留在程序空間中，還沒(méi)有交給uc/ os2II 管理。當任務(wù)一旦建立，就進(jìn)入就緒態(tài)。就緒態(tài)中優(yōu)先級最高的任務(wù)轉為運行態(tài)。如果系統的運行導致就緒態(tài)中的一個(gè)任務(wù)優(yōu)先級高于運行態(tài)的任務(wù)優(yōu)先級，則系統通過(guò)調度使運行態(tài)任務(wù)喪失對CPU 的控制權轉為等待態(tài)或者就緒態(tài)，轉而運行就緒態(tài)中的那個(gè)任務(wù)。這樣就實(shí)現了任務(wù)的切換。

每個(gè)處于等待態(tài)的任務(wù)都對應一個(gè)等待時(shí)間，時(shí)間管理函數可將等待時(shí)間已過(guò)的等待態(tài)的任務(wù)轉為就緒態(tài)，這實(shí)際上也就是時(shí)鐘中斷的中斷服務(wù)程序。

3.5 任務(wù)的通信和調度

本系統中任務(wù)間的通信采用消息隊列來(lái)完成的。消息隊列是uc/ os2II 中的一種通信機制，可以使一個(gè)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?lè )绞蕉x的變量。為方便易用，采用消息隊列，用于數據采集任務(wù)、數據處理任務(wù)、鍵盤(pán)管理任務(wù)、輸出任務(wù)、顯示任務(wù)之間的通信。系統通過(guò)隊列控制塊來(lái)管理消息隊列，每個(gè)消息隊列對應一個(gè)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，系統采用搶占式內核，調度函數總是保證優(yōu)先級最高的就緒態(tài)任務(wù)轉為運行態(tài)。當就緒態(tài)的任務(wù)搶占CPU 時(shí)，系統執行一次中斷服務(wù)程序。當任務(wù)中的消息發(fā)送完成以及中斷返回時(shí)，系統調用調度函數，將任務(wù)從等待態(tài)轉為就緒態(tài)，這樣就緒態(tài)中任務(wù)的最高優(yōu)先級就會(huì )發(fā)生變化，進(jìn)而影響到運行態(tài)和就緒態(tài)間的任務(wù)切換。

4 系統的工作過(guò)程

本系統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，就向數據處理任務(wù)發(fā)送一條消息，而數據處理任務(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(pán)掃描任務(wù)優(yōu)先級比數據采集任務(wù)最高，每當用戶(hù)鍵盤(pán)選擇時(shí)，就搶斷當前采集任務(wù)，而去處理用戶(hù)需要選擇的那路電壓，并相應顯示。當采集電流超過(guò)一定標準時(shí)，系統會(huì )報警，以告之監測人員，另外本系統還留有串行232接口，用于和微機通信，以?xún)Υ骐s散電流的歷史情況

5 結束語(yǔ)

本系統經(jīng)調試，軟硬件工作均正常。實(shí)驗證明，本系統較傳統的數據采集系統在安全性和實(shí)時(shí)性方面都有了很大的提高，數據采集系統包括了：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、數據填報、數據預處理、數據評審、綜合查詢(xún)統計等功能模塊。通過(guò)信息采集網(wǎng)絡(luò )化和數字化，擴大數據采集的覆蓋范圍，提高審核工作的全面性、及時(shí)性和準確性；最終實(shí)現相關(guān)業(yè)務(wù)工作管理現代化、程序規范化、決策科學(xué)化，服務(wù)網(wǎng)絡(luò )化。完全能夠適應復雜系統的需要。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )和多媒體技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統的應用有著(zhù)更廣闊的空間。