基于RlTOS和ISP功能的數字儀表系統設計與實(shí)現

摘要：以Atmel公司的AT89S52型單片微控制器為對象，介紹基于RTOS(多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統)和ISP(在系統可編程)功能的數字儀表系統的軟硬件設計，同時(shí)給出硬件系統的組成和相關(guān)軟件編程的實(shí)現代碼。經(jīng)某武器系統的調試試驗表明，該儀表系統具有顯示直觀(guān)、準確、可靠的優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：RTOS;ISP;單片微控制器;液晶顯示模塊 引言 Atmel公司的控制器以其集成度高、在線(xiàn)調試方便等特點(diǎn)廣泛應用于工程實(shí)踐領(lǐng)域，文中以某武器系統的前期預研為背景，討論了數字儀表系統的軟硬件實(shí)現過(guò)程，其主要功能包含：實(shí)時(shí)采集配電箱系統的6路正負模擬電壓值及作戰環(huán)境溫度，并通過(guò)MSl2232B型液晶模塊動(dòng)態(tài)式顯示。 1 軟件特性 隨著(zhù)C語(yǔ)言在嵌入式系統中的廣泛運用，軟件系統的實(shí)時(shí)性、復雜性設計要求也越來(lái)越高，用通常的單任務(wù)無(wú)限循環(huán)結構與中斷服務(wù)子程序相配合的編程思想已難以完成相關(guān)的軟件設計或實(shí)現較為困難，RTOS(多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統)是現階段較為流行的處理方式。

RTOS的基本設計思想是將多種系統輸入和處理要求，按功能做成不同的任務(wù)函數體，并分配適當的優(yōu)先級，參考Windows系統的多線(xiàn)程處理機制，將 CPU執行時(shí)間劃分成若干區段，每個(gè)任務(wù)函數體對應一個(gè)時(shí)間片段.在規定的時(shí)間內執行完后允許切換到另一個(gè)任務(wù)，因各時(shí)間段非常短，表現的是多任務(wù)實(shí)時(shí)處理特性。因為任務(wù)并非同時(shí)執行且具備跳轉特性，所以整個(gè)項目管理文件內可以有多個(gè)無(wú)限循環(huán)結構，且省略了main入口函數，這是RTOS最大的特色。文中以Keil集成開(kāi)發(fā)環(huán)境為平臺，利用RTX5l Tiny版本來(lái)完成整個(gè)軟件設計過(guò)程。 ISP(在系統可編程)是一種適合Atmel系列器件的Flash技術(shù)，通過(guò)PC的LPT標準并行接口，能實(shí)時(shí)地將Intel格式的源程序代碼下載到微控制器的相應存儲區域。ISP的最大特點(diǎn)是簡(jiǎn)化了調試過(guò)程，提高了軟件系統的可維護性，使其具備了在線(xiàn)升級特性。而且整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程省去了反復插拔電路的操作。 2 系統硬件構成 本系統硬件主要包括如下幾個(gè)模塊：AT89S52型主控制器、ADC0809型模/數轉換、MSl2232B型液晶顯示器、溫度傳感器及語(yǔ)音報警等。其中 AT89S52型微處理器主要完成外圍器件的硬件控制及相關(guān)數據解算，ADC0809采集6路模擬信號并輸入主控制器，MSl2232B完成數字及相關(guān)標識字符的顯示，配電系統的電壓波動(dòng)超出預定指標時(shí)由語(yǔ)音模塊給出相應的報警信息。

2.1主控制器模塊 主控制器是Atmel公司生產(chǎn)的AT89S52型單片微控制器，與常規C51系列相比，其突出特點(diǎn)是具有8KB閃速式存儲器(降低了對外擴存儲器的要求)、256B RAM內存(可容納更多局部變量)、8個(gè)中斷源及ISP在線(xiàn)可編程特性。 2.2液晶顯示模塊 MSl2232B屬于圖形點(diǎn)陣系列的顯示器件，具有雙行顯示功能，其點(diǎn)陣結構為122%26;#215;32，通過(guò)AT89s52給出必要的數據和指令來(lái)操作MSl2232B主、輔控制器，從而完成圖形、字符等相關(guān)信息的顯示。該液晶顯示模塊還具有較強的通用性.用戶(hù)用少量元件就可以構成一個(gè)完整的LCD 系統。電路連接如圖1所示。 2.3 A/D數據采集模塊 由于本系統涉及多路模擬信號，故選擇了AD(20809型通用模/數轉換器，它采用逐次逼近方式完成A/D轉換過(guò)程，其片內帶有8路模擬開(kāi)關(guān)，能自動(dòng)鎖存信號，輸入電壓范圍是0V～+5V，因為該器件的輸出具有1TrL三態(tài)鎖存緩沖器結構，所以可以直接連人單片微控制器的I/O口。相關(guān)的接口連接如圖2所示。 需要說(shuō)明的是，在本系統6路電源信號中只有一路負電源信號符合ADC0809 0V～5v的輸入特性，因此必須配備相應的反相電路，則通過(guò)LM358型運算放大器來(lái)完成。利用LM358還可以擴展監測范圍(以降低測量精度為前提)，這對于精度要求不太高的場(chǎng)合是可行的。圖2中PC817型光耦用于檢測負電壓信號，當IN4為低電平信號時(shí)對應負電壓信號，此時(shí)在MSl2232B的相應行位置給出“-”號標志，這不僅解決了正負電壓同行顯示的兼容性問(wèn)題，而且減少了軟件設計量(由6路簡(jiǎn)化為3路)，同時(shí)使系統實(shí)時(shí)性相應提升。 2.4溫度傳感器模塊 DSl8820是Dallas公司推出的l—Wire式數字溫度傳感器，它能實(shí)時(shí)采集現場(chǎng)環(huán)境的溫度數據，并將相應的值轉換為數字量輸出。該溫度傳感器與 AT89S52的連接如圖3所示。 2.5語(yǔ)音報警模塊 該模塊主要實(shí)現異常情況下告警信息的輸出，只要配電箱電壓信號的波動(dòng)值超出一定的范圍，音頻告警裝置即給出不同的頻率信號使蜂鳴器發(fā)聲，以提示相關(guān)操作人員注意。

3 系統軟件設計 按RTOS系統的程序結構要求，軟件工程主要由如下4部分組成：初始化、數據采集與A/D轉換、顯示子程序、溫度監測與告警模塊。 如果將初始化設置為任務(wù)0，那么除了要完成相應的硬件配置與變量賦初值外，還必須啟動(dòng)所有其他任務(wù)，另外，因為初始化過(guò)程只須進(jìn)行一次，所以Task 0還應當刪除其自身。具體的程序代碼如下所示： void Init(void)_task_Intial { variable=0; LcdInitialO; ClrScreenO; 0s_create_task(AI)C0809I)ata); os_create_task(DSl8820Temperate); 0s_create_task(LCMI)isplay); 0s_delete_task(Intial); } 其中相關(guān)的宏定義變量值為： #define Intial O #define ADC0809Data 1 #define DSl 8820Temperate 2 #define LCMDisplay 3 在Keil集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下調試本程序時(shí)，除了要包括相應的頭文件(rtx51tny.h)外，還必須設置好相應的環(huán)境參數值。 3.1數模轉換子程序 數據采集與A/I)轉換子程序主要對配電箱傳來(lái)的模擬信號進(jìn)行采樣、量化及返回值處理。軟件編程時(shí)的電氣時(shí)序及相關(guān)技術(shù)要求如圖4所示。

在時(shí)序圖中，上升沿清空量化結果寄存器內的值，下降沿啟動(dòng)，A/D轉換;采樣啟動(dòng)脈沖的高電平狀態(tài)至少應維持100μs;EOC變?yōu)榈碗娖奖硎巨D換過(guò)程正在進(jìn)行，且啟動(dòng)信號的硬件遲滯效應時(shí)間至少應為10μs;MSB對應AT89S52并口的：P0.7，LSB對應P0.0。 關(guān)鍵部分的程序源代碼及注釋如下： unsigned int AI)C0809(void) { unsigned int wait=3; ChannelChooseA=1; ChannelChooseB=0; ChannelChooseC=0; ADStartPulse=0; ADStartPulse=1;//產(chǎn)生A/D轉換的啟動(dòng)脈沖 (上升沿部分) delay();//保證啟動(dòng)脈沖的高電平寬度 至少大于100μs ADStartPulse=0;//產(chǎn)生A/D轉換的啟動(dòng)脈沖 (下降沿部分) wait--; wait--; //指令延時(shí)以保證達到：EOC 變?yōu)榈碗娖剿璧挠布t滯要求。 ‘whilefADConvertEOC==0)： return(Result);/將A/[)轉換后的量化值返 回到主函數中。 } 3.2液晶顯示模塊 MSl2232B型圖形點(diǎn)陣液晶顯示(LCM)模塊左右分為Master和Slave控制器，上下共分4頁(yè)，左邊列地址為0-61，右邊列地址為 0-61，對該器件的操作關(guān)鍵是按時(shí)序圖正確配置好主、輔控制器的工作狀態(tài)。利用AT89S52訪(fǎng)問(wèn)LCM時(shí)有二種常用的方法，即存儲器映射寄存器尋址和模擬接口時(shí)序，本系統采用后一種方法。主要函數模塊源代碼分析： void MasterWriteD(unsigned char Ramdata) //向Master控制器寫(xiě)數據 { ReadOrWrite=0; InstructionOrData=1; MasterEl=1; P0=Ramdata; MasterEl：0; } void MasterWriteI(unsigned char Ramdata) //向Master控制器寫(xiě)指令 { ReadOrWrite=0; InstructionOrData=0; MasterEl=1; P0=Ramdata; MasterE1=O; } void ReadState(void) //檢測主、輔控制器工作狀態(tài) { ReadOrWrite=1; InstructionOrData=0; MasterEl=1： SlaveE2=1; PO=0xff; while(BusStateBusy==1); } void SetPage(unsigned char page0，unsigned char pagel) { MasterWriteI(0xb8 | pagel); SlaveWriteI(0xb8 | page0); } void SetColumn(unsigned char address0，unsigned char addressl) { MasterWriteI(0x3f %26;amp; addressl); SlaveWfiteI(0x3f %26;amp; address0); } //在主控制器操作的左邊LCM屏上顯示一列信息(由8個(gè)像素點(diǎn)構成) void MasterPutChar(unsigned char masterchar) { ReadState(); MasterWriteD(masterchar); } 一般說(shuō)來(lái)。AT89S52的RAM存儲空間是有限的，而圖形或字符的點(diǎn)陣代碼(可以下載相關(guān)的應用插件，由.bmp文件或字符自動(dòng)生成)如果太大，放置到 RAM區會(huì )出現內存不足的告警提示，為此可按如下方式處理： unsigned char code Dotn[]=lOxOO，Ox00，0x30， 0x00，0x30，Ox00，Ox00，0x00}; 即將點(diǎn)陣代碼通過(guò)code關(guān)鍵字限定后放于ROM區域內。

3.3 DSl8820的1-Wire子程序 DSl8820的突出優(yōu)點(diǎn)是將現場(chǎng)采集的環(huán)境溫度直接以數字形式輸出，這樣可以省去后續的信號放大及模/數轉換部分，構建外圍電路的元件少且相對簡(jiǎn)單，系統成本低廉;1-Wire接口與AT89S52通信，其結構便于多點(diǎn)測量且易于擴展;測溫范圍寬(-550℃～1250℃)且精度高。 對l-Wire的操作關(guān)鍵是軟件時(shí)序的處理，對于不同的晶體振蕩器其延時(shí)參數是不同的，本系統以12MHz為例給出如下主要程序代碼： bit DallassReset(void) { unsigned char presence=0; DallassDataout=1; //發(fā)出復位脈沖前先釋 放總線(xiàn) delay(10); DallassDataout=0; delay(240);//保證延時(shí)在4801μs～9601μs之間 DaUassDataout=1; delay(35); Dresence=DallassDataout; delay(60); return(presence); } //寫(xiě)時(shí)序從主控制器把總線(xiàn)拉低時(shí)開(kāi)始 void writeCommand(unsigned char command) { unsigned char count; for(count=O;count8;count++) { DallassDataout=0; if(command%26;amp;0x01==1) { DallassDataout=1; //寫(xiě)“1”時(shí)序在將總線(xiàn)拉低后，AT89S52主控制器必須在15μs內釋放總線(xiàn)，所以此語(yǔ)句之前不能有較長(cháng)時(shí)間的延時(shí)語(yǔ)句 } delay(35);//無(wú)論寫(xiě)“1”還是寫(xiě)“0”時(shí)序都必須有至少601as的低電平 DallassDataout=1;//總線(xiàn)恢復的過(guò)程 command=command>>1; } } //讀時(shí)序從主控制器將總線(xiàn)拉低至少1μs后釋放總線(xiàn)的時(shí)刻開(kāi)始 unsigned char readdata(void) { unsigned char value; unsigned char midtemp=0; for(value=0;value8;Value++) { I DallassDataout=0; midtemp=midtemp>>1; -nop_O; _nop_O; DallassDataout=1; //讀時(shí)序時(shí)，控制器必須在15μs內釋放總線(xiàn)，然后采樣總線(xiàn)狀態(tài)，所以此語(yǔ)句之前不能延時(shí)太長(cháng)的時(shí)間的延時(shí)語(yǔ)句 if(DallassDataout==1) { midtemp=midtemp | 0x80; //因為midtemp初始被賦值為0，所以如果采樣總線(xiàn)狀態(tài)為0則不必處理，0會(huì )自動(dòng)被返回 } delay(35); //延時(shí)70μs完成此次Bit 位讀時(shí)序過(guò)程，為下一次讀作準備 } return(midtemp); } void delay(unsigned char out) { unsigned char in; for(in=out;in>O;in--); } 4 ISP的結構原理 將ISP功能集成到成型的PCB上就可以實(shí)現程序的實(shí)時(shí)更新與升級操作，其結構原理如圖5所示，這對于復雜工程系統設計顯然是很方便的，也是切實(shí)可行的。 5 結論 隨著(zhù)智能儀器儀表技術(shù)的發(fā)展，顯示模塊的液晶化已成為一種較為流行的趨勢。本文給出的軟硬件設計方案已在某武器系統的調試過(guò)程中得到正確、可靠、穩定的運行。它不僅克NT模似儀表體積大、故障率高的缺陷，而且由于運用了RTOS技術(shù)，使數據檢測的敏捷度得到大幅提升。另外，ISP功能的在線(xiàn)集成也為系統功能的擴充預留了空間。