基于RlTOS和ISP功能的數(shù)字儀表系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

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)實時操作系統(tǒng))和ISP(在系統(tǒng)可編程)功能的數(shù)字儀表系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，同時給出硬件系統(tǒng)的組成和相關(guān)軟件編程的實現(xiàn)代碼。經(jīng)某武器系統(tǒng)的調(diào)試試驗表明，該儀表系統(tǒng)具有顯示直觀、準(zhǔn)確、可靠的優(yōu)點。 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、在線調(diào)試方便等特點廣泛應(yīng)用于工程實踐領(lǐng)域，文中以某武器系統(tǒng)的前期預(yù)研為背景，討論了數(shù)字儀表系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn)過程，其主要功能包含：實時采集配電箱系統(tǒng)的6路正負(fù)模擬電壓值及作戰(zhàn)環(huán)境溫度，并通過MSl2232B型液晶模塊動態(tài)式顯示。 1 軟件特性 隨著C語言在嵌入式系統(tǒng)中的廣泛運用，軟件系統(tǒng)的實時性、復(fù)雜性設(shè)計要求也越來越高，用通常的單任務(wù)無限循環(huán)結(jié)構(gòu)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(shè)計或?qū)崿F(xiàn)較為困難，RTOS(多任務(wù)實時操作系統(tǒng))是現(xiàn)階段較為流行的處理方式。

RTOS的基本設(shè)計思想是將多種系統(tǒng)輸入和處理要求，按功能做成不同的任務(wù)函數(shù)體，并分配適當(dāng)?shù)膬?yōu)先級，參考Windows系統(tǒng)的多線程處理機制，將 CPU執(zhí)行時間劃分成若干區(qū)段，每個任務(wù)函數(shù)體對應(yīng)一個時間片段.在規(guī)定的時間內(nèi)執(zhí)行完后允許切換到另一個任務(wù)，因各時間段非常短，表現(xiàn)的是多任務(wù)實時處理特性。因為任務(wù)并非同時執(zhí)行且具備跳轉(zhuǎn)特性，所以整個項目管理文件內(nèi)可以有多個無限循環(huán)結(jié)構(gòu)，且省略了main入口函數(shù)，這是RTOS最大的特色。文中以Keil集成開發(fā)環(huán)境為平臺，利用RTX5l Tiny版本來完成整個軟件設(shè)計過程。 ISP(在系統(tǒng)可編程)是一種適合Atmel系列器件的Flash技術(shù)，通過PC的LPT標(biāo)準(zhǔn)并行接口，能實時地將Intel格式的源程序代碼下載到微控制器的相應(yīng)存儲區(qū)域。ISP的最大特點是簡化了調(diào)試過程，提高了軟件系統(tǒng)的可維護性，使其具備了在線升級特性。而且整個開發(fā)過程省去了反復(fù)插拔電路的操作。 2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成 本系統(tǒng)硬件主要包括如下幾個模塊：AT89S52型主控制器、ADC0809型模/數(shù)轉(zhuǎn)換、MSl2232B型液晶顯示器、溫度傳感器及語音報警等。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(shù)據(jù)解算，ADC0809采集6路模擬信號并輸入主控制器，MSl2232B完成數(shù)字及相關(guān)標(biāo)識字符的顯示，配電系統(tǒng)的電壓波動超出預(yù)定指標(biāo)時由語音模塊給出相應(yīng)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(guī)C51系列相比，其突出特點是具有8KB閃速式存儲器(降低了對外擴存儲器的要求)、256B RAM內(nèi)存(可容納更多局部變量)、8個中斷源及ISP在線可編程特性。 2.2液晶顯示模塊 MSl2232B屬于圖形點陣系列的顯示器件，具有雙行顯示功能，其點陣結(jié)構(gòu)為122%26;#215;32，通過AT89s52給出必要的數(shù)據(jù)和指令來操作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.用戶用少量元件就可以構(gòu)成一個完整的LCD 系統(tǒng)。電路連接如圖1所示。 2.3 A/D數(shù)據(jù)采集模塊 由于本系統(tǒng)涉及多路模擬信號，故選擇了AD(20809型通用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，它采用逐次逼近方式完成A/D轉(zhuǎn)換過程，其片內(nèi)帶有8路模擬開關(guān)，能自動鎖存信號，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(jié)構(gòu)，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。 需要說明的是，在本系統(tǒng)6路電源信號中只有一路負(fù)電源信號符合ADC0809 0V～5v的輸入特性，因此必須配備相應(yīng)的反相電路，則通過LM358型運算放大器來完成。利用LM358還可以擴展監(jiān)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合是可行的。圖2中PC817型光耦用于檢測負(fù)電壓信號，當(dāng)IN4為低電平信號時對應(yīng)負(fù)電壓信號，此時在MSl2232B的相應(yīng)行位置給出“-”號標(biāo)志，這不僅解決了正負(fù)電壓同行顯示的兼容性問題，而且減少了軟件設(shè)計量(由6路簡化為3路)，同時使系統(tǒng)實時性相應(yīng)提升。 2.4溫度傳感器模塊 DSl8820是Dallas公司推出的l—Wire式數(shù)字溫度傳感器，它能實時采集現(xiàn)場環(huán)境的溫度數(shù)據(jù)，并將相應(yīng)的值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出。該溫度傳感器與 AT89S52的連接如圖3所示。 2.5語音報警模塊 該模塊主要實現(xiàn)異常情況下告警信息的輸出，只要配電箱電壓信號的波動值超出一定的范圍，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(tǒng)軟件設(shè)計 按RTOS系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)要求，軟件工程主要由如下4部分組成：初始化、數(shù)據(jù)采集與A/D轉(zhuǎn)換、顯示子程序、溫度監(jiān)測與告警模塊。 如果將初始化設(shè)置為任務(wù)0，那么除了要完成相應(yīng)的硬件配置與變量賦初值外，還必須啟動所有其他任務(wù)，另外，因為初始化過程只須進行一次，所以Task 0還應(yīng)當(dāng)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集成開發(fā)環(huán)境下調(diào)試本程序時，除了要包括相應(yīng)的頭文件(rtx51tny.h)外，還必須設(shè)置好相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)值。 3.1數(shù)模轉(zhuǎn)換子程序 數(shù)據(jù)采集與A/I)轉(zhuǎn)換子程序主要對配電箱傳來的模擬信號進行采樣、量化及返回值處理。軟件編程時的電氣時序及相關(guān)技術(shù)要求如圖4所示。

在時序圖中，上升沿清空量化結(jié)果寄存器內(nèi)的值，下降沿啟動，A/D轉(zhuǎn)換;采樣啟動脈沖的高電平狀態(tài)至少應(yīng)維持100μs;EOC變?yōu)榈碗娖奖硎巨D(zhuǎn)換過程正在進行，且啟動信號的硬件遲滯效應(yīng)時間至少應(yīng)為10μs;MSB對應(yīng)AT89S52并口的：P0.7，LSB對應(yīng)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(zhuǎn)換的啟動脈沖 (上升沿部分) delay();//保證啟動脈沖的高電平寬度 至少大于100μs ADStartPulse=0;//產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換的啟動脈沖 (下降沿部分) wait--; wait--; //指令延時以保證達(dá)到：EOC 變?yōu)榈碗娖剿璧挠布t滯要求。 ‘whilefADConvertEOC==0)： return(Result);/將A/[)轉(zhuǎn)換后的量化值返 回到主函數(shù)中。 } 3.2液晶顯示模塊 MSl2232B型圖形點陣液晶顯示(LCM)模塊左右分為Master和Slave控制器，上下共分4頁，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)鍵是按時序圖正確配置好主、輔控制器的工作狀態(tài)。利用AT89S52訪問LCM時有二種常用的方法，即存儲器映射寄存器尋址和模擬接口時序，本系統(tǒng)采用后一種方法。主要函數(shù)模塊源代碼分析： void MasterWriteD(unsigned char Ramdata) //向Master控制器寫數(shù)據(jù) { ReadOrWrite=0; InstructionOrData=1; MasterEl=1; P0=Ramdata; MasterEl：0; } void MasterWriteI(unsigned char Ramdata) //向Master控制器寫指令 { 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個像素點構(gòu)成) void MasterPutChar(unsigned char masterchar) { ReadState(); MasterWriteD(masterchar); } 一般說來。AT89S52的RAM存儲空間是有限的，而圖形或字符的點陣代碼(可以下載相關(guān)的應(yīng)用插件，由.bmp文件或字符自動生成)如果太大，放置到 RAM區(qū)會出現(xiàn)內(nèi)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}; 即將點陣代碼通過code關(guān)鍵字限定后放于ROM區(qū)域內(nèi)。

3.3 DSl8820的1-Wire子程序 DSl8820的突出優(yōu)點是將現(xiàn)場采集的環(huán)境溫度直接以數(shù)字形式輸出，這樣可以省去后續(xù)的信號放大及模/數(shù)轉(zhuǎn)換部分，構(gòu)建外圍電路的元件少且相對簡單，系統(tǒng)成本低廉;1-Wire接口與AT89S52通信，其結(jié)構(gòu)便于多點測量且易于擴展;測溫范圍寬(-550℃～1250℃)且精度高。 對l-Wire的操作關(guān)鍵是軟件時序的處理，對于不同的晶體振蕩器其延時參數(shù)是不同的，本系統(tǒng)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(fù)位脈沖前先釋 放總線 delay(10); DallassDataout=0; delay(240);//保證延時在4801μs～9601μs之間 DaUassDataout=1; delay(35); Dresence=DallassDataout; delay(60); return(presence); } //寫時序從主控制器把總線拉低時開始 void writeCommand(unsigned char command) { unsigned char count; for(count=O;count<8;count++) { DallassDataout=0; if(command%26;amp;0x01==1) { DallassDataout=1; //寫“1”時序在將總線拉低后，AT89S52主控制器必須在15μs內(nèi)釋放總線，所以此語句之前不能有較長時間的延時語句 } delay(35);//無論寫“1”還是寫“0”時序都必須有至少601as的低電平 DallassDataout=1;//總線恢復(fù)的過程 command=command>>1; } } //讀時序從主控制器將總線拉低至少1μs后釋放總線的時刻開始 unsigned char readdata(void) { unsigned char value; unsigned char midtemp=0; for(value=0;value<8;Value++) { I DallassDataout=0; midtemp=midtemp>>1; -nop_O; _nop_O; DallassDataout=1; //讀時序時，控制器必須在15μs內(nèi)釋放總線，然后采樣總線狀態(tài)，所以此語句之前不能延時太長的時間的延時語句 if(DallassDataout==1) { midtemp=midtemp | 0x80; //因為midtemp初始被賦值為0，所以如果采樣總線狀態(tài)為0則不必處理，0會自動被返回 } delay(35); //延時70μs完成此次Bit 位讀時序過程，為下一次讀作準(zhǔn)備 } return(midtemp); } void delay(unsigned char out) { unsigned char in; for(in=out;in>O;in--); } 4 ISP的結(jié)構(gòu)原理 將ISP功能集成到成型的PCB上就可以實現(xiàn)程序的實時更新與升級操作，其結(jié)構(gòu)原理如圖5所示，這對于復(fù)雜工程系統(tǒng)設(shè)計顯然是很方便的，也是切實可行的。 5 結(jié)論 隨著智能儀器儀表技術(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(shè)計方案已在某武器系統(tǒng)的調(diào)試過程中得到正確、可靠、穩(wěn)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(shù)據(jù)檢測的敏捷度得到大幅提升。另外，ISP功能的在線集成也為系統(tǒng)功能的擴充預(yù)留了空間。