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(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(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(duì)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(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(shí)驗(yàn)室模擬裝置的設(shè)計(jì)
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(xiàn)場進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 因此這類課題的研究和實(shí)驗(yàn), 多數(shù)情況下往往要在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行,圖1是自行設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室模擬地下鐵道雜散電流的產(chǎn)生和對(duì)地下金屬腐蝕作用的實(shí)驗(yàn)裝置。
3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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(shí)時(shí)時(shí)間顯示和看門狗功能,可以通過RS232接口與外部(微機(jī)) 通信,。系統(tǒng)的軟件以實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)" title="嵌入式操作系統(tǒng)" target="_blank">嵌入式操作系統(tǒng)ucos2 為基礎(chǔ),采用多任務(wù)機(jī)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(shí)時(shí)性和安全性,。ucosII 是源碼公開的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng),采用優(yōu)先級(jí)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),并具有內(nèi)存管理、中斷管理和任務(wù)控制塊( TCB) 擴(kuò)展的功能,。ucosII 還提供很多系統(tǒng)服務(wù),例如郵箱,、消息隊(duì)列、信號(hào)量等等,。還具有可移植性好,，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。
3.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖2 所示,。各電阻電壓信號(hào)經(jīng)過隔離放大,，然后通過線性光耦的隔離后，分別傳送到多路采集A/D轉(zhuǎn)換芯片0809的輸入端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,。經(jīng)A/ D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量被單片機(jī)讀入,經(jīng)處理后可,，在液晶上顯示出具體數(shù)據(jù)。同時(shí)也可以由通信接口讀入微機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析,。液晶有系統(tǒng)提示和實(shí)時(shí)時(shí)間顯示,可以通過鍵盤進(jìn)行選擇和控制,。
A/ D 轉(zhuǎn)換可采用價(jià)格低廉又通用的8位逐次逼近式ADC ,適合數(shù)據(jù)采集,轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)100 us 。系統(tǒng)外部擴(kuò)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(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(tǒng)采用全地址譯碼法,外部設(shè)備和存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址,。CPU 訪問外部存貯器的一切指令均可用于對(duì)I/O 端口的訪問, 大大增強(qiáng)了CPU 對(duì)外設(shè)端口信息的處理能力,。
3.3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
3.3.1 傳統(tǒng)的程序流程
一個(gè)典型的單片機(jī)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(jī)制的,各個(gè)模塊構(gòu)成一個(gè)整體,作為一個(gè)任務(wù)運(yùn)行,。在實(shí)際應(yīng)用中,這種程序的安全性差,只要一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模塊出了錯(cuò)誤,整個(gè)系統(tǒng)工作就會(huì)被打亂,只有利用看門狗進(jìn)行復(fù)位,。這對(duì)于比較復(fù)雜的系統(tǒng),在實(shí)際運(yùn)行中看門狗就會(huì)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(duì)系統(tǒng)的定時(shí)要求就會(huì)很高,傳統(tǒng)的程序流程對(duì)實(shí)時(shí)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(gè)模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)任務(wù),彼此之間是并行的,但每個(gè)模塊都對(duì)應(yīng)著一個(gè)不同的優(yōu)先級(jí),由操作系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度運(yùn)行。系統(tǒng)可以通過監(jiān)控模塊對(duì)其他模塊的工作進(jìn)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(shí)時(shí)性會(huì)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(gè)任務(wù)按優(yōu)先級(jí)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(jí),這樣系統(tǒng)的控制會(huì)相對(duì)比較簡單,。
系統(tǒng)中的每個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),當(dāng)任務(wù)的CPU 使用權(quán)被剝奪時(shí),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(shí),任務(wù)控制塊能確保任務(wù)從被中斷的那一點(diǎn)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(duì)任務(wù)進(jìn)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(yùn)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(shí)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(jìn)入就緒態(tài)。就緒態(tài)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)轉(zhuǎn)為運(yùn)行態(tài),。如果系統(tǒng)的運(yùn)行導(dǎo)致就緒態(tài)中的一個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)高于運(yùn)行態(tài)的任務(wù)優(yōu)先級(jí),則系統(tǒng)通過調(diào)度使運(yùn)行態(tài)任務(wù)喪失對(duì)CPU 的控制權(quán)轉(zhuǎn)為等待態(tài)或者就緒態(tài),轉(zhuǎn)而運(yùn)行就緒態(tài)中的那個(gè)任務(wù),。這樣就實(shí)現(xiàn)了任務(wù)的切換。
每個(gè)處于等待態(tài)的任務(wù)都對(duì)應(yīng)一個(gè)等待時(shí)間,時(shí)間管理函數(shù)可將等待時(shí)間已過的等待態(tài)的任務(wù)轉(zhuǎn)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(diào)度
本系統(tǒng)中任務(wù)間的通信采用消息隊(duì)列來完成的,。消息隊(duì)列是uc/ os2II 中的一種通信機(jī)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)送以指針方式定義的變量。為方便易用,，采用消息隊(duì)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(duì)列控制塊來管理消息隊(duì)列,每個(gè)消息隊(duì)列對(duì)應(yīng)一個(gè)隊(duì)列控制塊,。消息的存取基于優(yōu)先級(jí)原則,隊(duì)列控制塊中等待任務(wù)列表內(nèi)優(yōu)先級(jí)任務(wù)最高的任務(wù)先從消息隊(duì)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(jí)最高的就緒態(tài)任務(wù)轉(zhuǎn)為運(yùn)行態(tài)。當(dāng)就緒態(tài)的任務(wù)搶占CPU 時(shí),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(shí),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(jí)就會(huì)發(fā)生變化,進(jìn)而影響到運(yùn)行態(tài)和就緒態(tài)間的任務(wù)切換,。在本系統(tǒng)中,正在運(yùn)行的任務(wù)需要通過消息(調(diào)用OSQPEND( ) 函數(shù)) 來等待一個(gè)事件的發(fā)生。假如該事件一直沒有出現(xiàn),調(diào)用該函數(shù)的任務(wù)將被置于等待狀態(tài)(優(yōu)先級(jí)最低的任務(wù)可不需要等待某個(gè)消息) ,。此時(shí)下一個(gè)優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)將立即獲得CPU 控制權(quán),。
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(jí)比數(shù)據(jù)采集任務(wù)最高，每當(dāng)用戶鍵盤選擇時(shí),，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(shí)，系統(tǒng)會(huì)報(bào)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(jī)通信,，以儲(chǔ)存雜散電流的歷史情況,。當(dāng)所有任務(wù)運(yùn)行完后,開始下一個(gè)周期的運(yùn)行。應(yīng)用程序與uc/ os2II 的內(nèi)核是一起下載到單片機(jī)系統(tǒng)中,。成功的移植需要對(duì)內(nèi)核程序進(jìn)行一定的修改,主要是修改內(nèi)核中與硬件密切相關(guān)的幾個(gè)文件,，具體可參考相關(guān)文獻(xiàn).
5 結(jié)束語
本系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試,軟硬件工作均正常。實(shí)驗(yàn)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(shí)時(shí)性方面都有了很大的提高,完全能夠適應(yīng)復(fù)雜系統(tǒng)的需要,。