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1、基于嵌入式的地铁杂散电流监测装置的设计摘 要笔者基于嵌入式实时操作系统ucosII和常用的AT89C51单片机设计了一种典型的数据采集监测系统。该系统的安全性、实时性较好,而且调试方便、灵活,可扩展性强。关键词杂散电流；单片机；嵌入式操作系统1地铁杂散电流产生原理地铁牵引供电一般为直流供电，而当直流大电流沿地面敷设的轨道流动时，直流电流除了在轨道中流动外，还会从轨道泄漏到大地，在大地中的各种金属物体上流动，然后再回到电源系统。这部分泄漏出来的电流称为杂散电流，在地铁工程中又称为迷流，如图0所示。由于杂散电流对埋入地下金属产生腐蚀作用，就可能使得某些地方的
2、地下金属在自然腐蚀的同时又受到严重的杂散电流电腐蚀作用，导致地铁电化腐蚀速度加快。有关地铁杂散电流的原因、危害、防治可以参考《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程CJJ49-92》。 2实验室模拟装置的设计由于地下铁道的特殊环境,理论上和实际中都难以在现场进行实验,因此这类课题的研究和实验,多数情况下往往要在实验室里进行,图1是自行设计的一个实验室模拟地下铁道杂散电流的产生和对地下金属腐蚀作用的实验装置。3数据采集系统的设计3.1系统概述本系统由硬件和软件两部分组成。硬件以SST89C51和8位ADC芯片AD0809为核心,具有键盘控制和液晶显示功能，该系统还
3、具有实时时间显示和看门狗功能,可以通过RS232接口与外部(微机)通信。系统的软件以实时嵌入式操作系统ucos2为基础,采用多任务机制,通过任务调度和任务监视,系统具有较好的实时性和安全性。ucosII是源码公开的实时嵌入式操作系统,采用优先级调度算法完成任务间的调度,并支持抢占式调度。ucosII具有可裁减的体系结构,并具有内存管理、中断管理和任务控制块(TCB)扩展的功能。ucosII还提供很多系统服务,例如邮箱、消息队列、信号量等等。还具有可移植性好，结构简单等优点。3.2系统的硬件设计系统的硬件组成框图如图2所示。各电阻电压信号经过隔离放大，然后
4、通过线性光耦的隔离后，分别传送到多路采集A/D转换芯片0809的输入端进行数据采集。经A/D转换后的数字量被单片机读入,经处理后可，在液晶上显示出具体数据。同时也可以由通信接口读入微机进行进一步的处理和分析。液晶有系统提示和实时时间显示,可以通过键盘进行选择和控制。A/D转换可采用价格低廉又通用的8位逐次逼近式ADC,适合数据采集,转换时间可达100us。系统外部扩展32kROM和RAM,供缓存数据和存贮程序。液晶采用日立公司系列产品中的D44780,可以显示16字×2行的字符模组。时间芯片采用的是M48T86,具有实时时间和日历显示功能。整个系统采用全
5、地址译码法,外部设备和存储器统一编址。CPU访问外部存贮器的一切指令均可用于对I/O端口的访问,大大增强了CPU对外设端口信息的处理能力。3.3系统的软件设计3.3.1传统的程序流程一个典型的单片机数据采集系统的程序通常包括输入/输出控制、数据处理和显示、键盘管理等模块。程序采用循环方式,流程如图3所示。可以看到,传统的程序是基于单任务机制的,各个模块构成一个整体,作为一个任务运行。在实际应用中,这种程序的安全性差,只要一个系统的设计模块出了错误,整个系统工作就会被打乱,只有利用看门狗进行复位。这对于比较复杂的系统,在实际运行中看门狗就会频繁地发生复位操
6、作。而且由于数据采集和键盘程序的执行频率可能相差很多,这样对系统的定时要求就会很高,传统的程序流程对实时性就难以很好地满足。3.3.2 基于ucosII的系统程序流程基于ucosII的程序流程如图4所示。程序中,每个模块对应一个任务,彼此之间是并行的,但每个模块都对应着一个不同的优先级,由操作系统进行调度运行。系统可以通过监控模块对其他模块的工作进行监控,从而减少看门狗的复位次数。而且通过ucosII内核的任务调度,系统的实时性会提高很多。3.4任务的划分和构成系统中并行存在的几个任务按优先级从高到低依次是:显示任务、键盘管理任务、输出任务、各路数据数据
7、采集任务和数据处理任务。系统采用静态优先级,这样系统的控制会相对比较简单。系统中的每个任务包括应用程序、任务堆栈以及任务控制块(TCB)三部分。任务控制块是一个数据结构,当任务的CPU使用权被剥夺时,ucosII用它来保存该任务的状态。当任务重新获得CPU的使用权时,任务控制块能确保任务从被中断的那一点执行下去。操作系统可以通过查询任务控制块的内容从而对任务进行管理。系统中任务的状态有5种:休眠态、就绪态、运行态、中断服务和等待态。状态之间的转换如图5所示。休眠态时任务驻留在程序空间中,还没有交给uc/os2II管理。当任务一旦建立,就进入就绪态。就绪态
8、中优先级最高的任务转为运行态。如果系统的运行导致就绪态中的一个任务优先级高于运行
