動態(tài)汽車稱重是汽車以一定的速度經過一定寬度的稱重臺面，由稱重臺面測出汽車每個軸的重量，然后累加得出汽車總重。該稱重過程是一個強實時過程，需要單片機及時采集汽車每個軸的數據并快速計算其重量。如果單片機速度過慢或者程序設計不合理，就會給儀表帶來穩(wěn)定性和可靠性的問題。當前很多智能儀表的軟件采用前/后臺系統(tǒng)設計，整個應用程序是一個無限的循環(huán)，后臺程序循環(huán)調用相應的函數完成相應的操作，中斷服務程序處理異步事件。這種傳統(tǒng)的程序設計思路有著明顯的不足。整個應用程序是一個有機的整體，使得實時應用程序的設計和擴展困難，時間要求苛刻的事件難以達到快捷有效的處理，對事件的串行處理使得資源得不到很好的利用。在智能儀表中移植嵌入式操作系統(tǒng)能較好的解決以上問題，并使軟件開發(fā)工作變得規(guī)范、容易測試，實現(xiàn)模塊化編程和縮短開發(fā)周期。當然RTOS本身需要占用一定的資源，隨著半導體技術的發(fā)展，器件的性能不斷上升、成本不斷下降，使得RTOS所消耗的成本不再重要。汽車動態(tài)稱重儀就是移植了嵌入式操作系統(tǒng)，在實際應用中增強了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。
2 系統(tǒng)總體方案
汽車動態(tài)稱重儀主要由數據采集模塊、數據處理模塊、顯示模塊、數據通訊模塊、外部存儲器和外部看門狗組成，如圖1所示。數據采集模塊負責將稱重傳感器檢測到的重量信號放大、濾波，轉換成數字信號傳送給CPU；CPU負責與各個外設的通訊和重量信號的分析和處理，并將處理完的重量信號發(fā)送給顯示模塊和通訊模塊；顯示模塊負責重量信號的顯示：通訊模塊負責將重量信號發(fā)送到上位機；外部存儲器存放儀表的參數：按鍵用來設置和修改儀表參數；外部看門狗用來提高儀表的抗干擾能力，增強儀表的穩(wěn)定性。
3 硬件電路設計
3．1 數據采集模塊
由于稱重儀表需要高精度，采用外接A／D轉換器，選用CS5532。該器件是美國Cirrus Logic公司推出的一種具有極低噪音的多通道型模擬／數字轉換器，由于其采用電荷平衡技術和極低噪聲的可編程增益斬波穩(wěn)定測量放大器，內部集成了放大和濾波功能，可得到高達24位分辨率的輸出結果，且具有高動態(tài)范圍和靈活的電源配置選項等優(yōu)點，使得該器件非常適合于動態(tài)稱重。其基準電壓由專門的基準電壓器件AD780提供。電路如圖2所示。
3．2 微處理器和外部存儲器
微處理器是系統(tǒng)的核心，其性能的好壞直接決定了稱重系統(tǒng)的準確性、穩(wěn)定性和可靠性。基于汽車動態(tài)稱重儀對精度和實時性的要求，選用PHILIPS公司的P89C668單片機。它具有以下特點：
①片內帶有8 KB RAM，64 KB Flash存儲器，該存儲器既可并行編程也可串行編程(ISP)，在實際的成型產品中可通過ISP升級用戶程序；②該器件在6個時鐘周期內執(zhí)行一條指令，是傳統(tǒng)的80C51的2倍；在每個機器周期，6個時鐘周期下速度高達20 MHz(相當于40 MHz性能)；③該器件有4個8位I／O端口，3個16位定時器／事件計數器，多中斷源，4個優(yōu)選級，可嵌套中斷結構，一個增強型UART和片內振蕩器及時序電路；這些資源為系統(tǒng)的硬件設計提供足夠的I／O端口，為軟件復雜功能的實現(xiàn)和未來程序的擴展，提供了足夠的程序存儲空間，為重量數據的采樣、濾波和稱重算法的實現(xiàn)，提供了足夠的數據存儲空間，可采用ISP功能實現(xiàn)產品的軟件升級。
外部存儲器采用ATMEL公司的AT24C512器件，擁有64 KB存儲容量、I2C接口的電可擦除非易失EEPROM存儲器，為設置和校準參數提供存儲空間。
3．3 顯示和通訊模塊
顯示驅動采用SN74HC595，是一款串行輸入并行輸出的移位寄存器，僅需3根I／O端口線即可控制6個數碼管和8個發(fā)光二極管，極大節(jié)省了單片機的資源，電路如圖3所示。
通訊模塊采用MAX232，并采取光隔離設計，以提高儀表的抗干擾能力，如圖4所示。
3．4 按鍵和外部看門狗電路
鍵盤采用典型的4x4矩陣薄膜按鍵鍵盤，用來設置儀表參數。為了提高儀表的抗干擾能力，增強儀表的穩(wěn)定性，采用外部看門狗復位電路。選用的器件是MAX813，電路如圖5所示。
4 系統(tǒng)軟件設計
4．1 Small RTOS51簡介
Small RTOS5l是一個專門為5l系列單片機設計的嵌入式實時操作內核，使用Keil編譯器可以直接使用其代碼，其特點：①公開源代碼。只要遵循許可協(xié)議，任何人可以免費獲得源代碼，便于用戶的二次開發(fā)。②可移植性。用戶可以把與CPU有關的控制指令壓縮到最小?？梢允褂肁NSIC編寫應用程序，不僅簡化了編程手段，而且便于程序移植。⑧可固化性。Small RTOS51為嵌入式系統(tǒng)設計，可以嵌入到產品中，成為產品的一部分。④占先式運行。Small RT0S51可以管理16個用戶任務，每個任務可以設置不同的優(yōu)先級。Small RTOS5l總是運行優(yōu)先級最高的任務。⑤中斷管理。采用中斷管理方式．當有更高級的中斷申請時，將目前正在執(zhí)行的任務掛起。如果優(yōu)先級更高的任務被中斷喚醒，則高優(yōu)先級的任務在中斷嵌套結束后立刻執(zhí)行。中斷嵌套層數可達255層。若需要，可以禁止中斷的嵌套管理。⑥RAM需求小。SmallRTOS51為小RAM的系統(tǒng)設計，因而對RAM的需求只有幾百字節(jié)，相應的系統(tǒng)服務也少。
4．2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)
按照儀表所要實現(xiàn)的功能，將整個系統(tǒng)劃分為多個并行的任務，占先式操作內核對任務的調度是按照任務優(yōu)先權的高低進行。這里將系統(tǒng)劃分為8個任務，按其優(yōu)先級從高到低的順序排序。用操作系統(tǒng)提供的任務建立函數OS一TaskCreate來實現(xiàn)。
(1)Task_AD負責接收A／D轉換后的數據，即信號的采樣，并判斷是否為汽車軸重數據，若是就保存。通過中斷服務程序接收A／D轉換后的數據，讀取完成會發(fā)一個信號量AD_Sem，Task_AD任務接收到AD_Sem信號量后開始判斷是否保存數據。如果任務檢測到一個軸完整通過稱臺，就發(fā)送相應軸的消息到數據處理任務。
(2)Task_Identify負責識別汽車的軸型和汽車是否完全通過稱臺。根據國家規(guī)定，不同軸型的汽車限載不同，所以動態(tài)稱重時，儀表要自動識別汽車軸型，然后根據該軸型汽車的限重判斷其是否超載。該任務還通過掃描車輛分離器的信號，識別車輛是否完全通過稱重臺面。若識別到車輛完全通過稱臺，就發(fā)送End_Sem信號量。
(3)Task_Comm_Rece負責接收來自上位機的命令和回應儀表的發(fā)送請求。儀表通過上位機發(fā)來的不同命令執(zhí)行相應的操作。
(4)Task_Key負責按鍵的掃描和識別。
(5)Task_Data負責稱重數據的處理。當該任務接收到來自Task_AD任務發(fā)送的軸信息后，開始處理該軸的數據。通過稱重算法計算出該軸的重量。并將重量以信息的方式發(fā)送給Task_Display任務。
(6)Task_Display負責顯示重量和參數。該任務接收到數據處理發(fā)來的信息，將顯示該軸的重量，如果儀表檢測到汽車已完全通過稱臺，顯示汽車總重。如果Task_Key任務掃描到參數鍵按下時，切換到參數顯示狀態(tài)。
(7)Task_End負責汽車完全通過稱臺后的一系列處理工作，包括總重累加，軸組重量統(tǒng)計，軸型統(tǒng)計。處理完后向數據通訊信息隊列發(fā)送信息，通知數據發(fā)送任務向上位機發(fā)送相應數據。
(8)Task_Comm_Send負責向上位機發(fā)送數據，當該任務接收到通訊消息后，根據不同的信息值向上位機發(fā)送不同的數據，例如，若汽車正向通過稱重臺面，則通訊信息值為1，Task_Comm_Send接收到該消息后會向上位機發(fā)送車輛的重量信息和軸型信息。若汽車反向通過稱重臺面，則通訊信息值為0，Task_Comm_Send接收到該信息會向上位機發(fā)送車輛的倒車信息。
5 結語
以嵌入式操作系統(tǒng)為開發(fā)平臺能夠提高效率，避免傳統(tǒng)開發(fā)中復雜的循環(huán)和判斷結構，降低了程序維護的難度。通過合理的任務劃分可以滿足系統(tǒng)的實時性、可靠性、精確性的要求。
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