【正文】 為最大 3V電壓接入 AD/GPIO復(fù)用引腳。兩者之間通過(guò)跳線來(lái)切換輸入模式。 本裝置采用的 S3C2410 處理器自帶了 16 個(gè)通道的 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，但是不能滿足采樣數(shù)據(jù)精度的要求，本文采用兩片 MAXIM 公司的 MAX125 轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。該芯片內(nèi)部包含 4 個(gè)采樣保持器，各自對(duì)應(yīng)一個(gè) 2 選 1 的模擬輸入 (分為 A、 B 兩組 )，輸出經(jīng) 4 選 1 開關(guān)連接到一個(gè) 14 位、 3us 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。通道 1 到通道 4 順序轉(zhuǎn)換，存入片內(nèi) 414 位緩沖器中，最后給出轉(zhuǎn)換完成信號(hào)。 MCU 響應(yīng)后順序讀出各通道的 A/D 數(shù)據(jù)。 MAX125 的工作電壓為 177。5V,允許輸入電壓為 177。17V，因此有較高的使用安全性。 MAX125 有 8 個(gè)可編程工作模式，通過(guò)雙向引腳 D0/A0~D3/A3 可向 MAX125 輸入數(shù)據(jù)，通過(guò)編程來(lái)設(shè)定芯片工作模式，工作模式一旦設(shè)定 ， MAX125 就能在指定的工作模式下連續(xù)轉(zhuǎn)換，直到重新編程或失電為止。其工作模式如表 21 所示。 表 21 MAX125工作模式 A3 A2 A1 A0 轉(zhuǎn)換時(shí)間 (us) 模式 0 0 0 0 3 A 組單通道轉(zhuǎn)換 (默認(rèn) ) 0 0 0 1 6 A 組雙通道轉(zhuǎn)換 0 0 1 0 9 A 組三通道轉(zhuǎn)換 0 0 1 1 12 A 組四通道轉(zhuǎn)換 0 1 0 0 3 B 組單通道轉(zhuǎn)換 0 1 0 1 6 B 組雙通道轉(zhuǎn)換 0 1 1 0 9 B 組三通道轉(zhuǎn)換 0 1 1 1 12 B 組四通道轉(zhuǎn)換 1 MAX125 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)由高變低時(shí)啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換，其上升沿使片內(nèi)多個(gè)采樣保持器同時(shí)保持各自模擬輸入信號(hào)。根據(jù)設(shè)定的工作模式，順序轉(zhuǎn)換各通道的模擬輸入，并將量化值存入片內(nèi)緩沖器。當(dāng)最后一個(gè)通道轉(zhuǎn)換完成，給出轉(zhuǎn)換完成信號(hào)，通知 MCU 讀A/D 數(shù)據(jù)，第一個(gè)讀信號(hào)的下降沿清除轉(zhuǎn)換完成信號(hào)。 為了實(shí)現(xiàn)兩塊 A/D 采樣模塊和其他模塊之間能協(xié)調(diào)工作，我們選用一片 Altera 公司的 復(fù)雜可編程邏輯器件 EPM3032 來(lái)實(shí)現(xiàn)。 兩片 A/D 轉(zhuǎn)換芯片啟動(dòng)信號(hào)和它們的片選地址由 MCU 的 nGCS5 和地址線在 CPLD 中經(jīng)過(guò)一定的邏輯關(guān) 系形成。本文采用的轉(zhuǎn)換模式是同時(shí)啟動(dòng)兩片 A/D 轉(zhuǎn)換芯片的 A 組四通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再同時(shí)啟動(dòng)兩片 A/D 轉(zhuǎn)換芯片的 B 組四通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換 。 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 1 的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)與 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 2 的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)在 CPLD 中進(jìn)行邏輯 “或 ”后，作為兩片 A/D 轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)送到 MCU 14 的 EINT0(N14)中斷引腳上。當(dāng)兩片 A/D 芯片的 16 路模擬量采樣結(jié)束后，通過(guò) MCU 的N14 引腳給 MCU 發(fā)一個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)， MCU 將 16 路模擬量的轉(zhuǎn)換結(jié)果按照設(shè)定好的工作模式的順序讀到 MCU的內(nèi)存單元中，實(shí)現(xiàn)了 16路模擬量的二次模擬量數(shù)據(jù)的采集。A/D 轉(zhuǎn)換原理圖如圖 212 所示（取 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 1 為例）。 C H 2 B1C H 2 A2C H 1 B3C H 1 A4AVDD5R E F I N6R E F O U T7AGND8D 1 39D 1 210D 1 111D 1 012D913D814D715D616DVDD17DGND18D519D420D 3 / A 321D 2 / A 222D 1 / A 123D 0 / A 024C L K25CS26WR27RD28C O N V S T29I N T30A V s s31C H 4 A32C H 4 B33C H 3 A34C H 3 B35AGND36M A X 1 25 A C A XM A X 1 25C H 1 8 A C D 0 1 3+ 5VC 3 81 04+ 5VC 2 80 .0 1 uFC 3 64 .7 u F 10 VA D C L Kn C V T 1 5 VC H 1C H 2C H 3C H 4C H 5C H 6C H 7C H 8A C D 0A C D 1A C D 2A C D 3A C D 4A C D 5A C D 6A C D 7A C D 8A C D 9A C D 10A C D 11A C D 12A C D 13A D I N T 1A D C S 5n R Dn W R 圖 212 A/D轉(zhuǎn)換原理圖 控制模塊 本文共設(shè)計(jì)了 8路斷電輸出，其中兩路是近程斷電，通過(guò)控制本安電源箱中的繼電器來(lái)完成超限斷電，其他六路是遠(yuǎn)程斷電，通過(guò)控制本地繼電器對(duì)斷電儀實(shí)現(xiàn)閉鎖控制等功能。 近程斷電只是給出一個(gè)控制電平信號(hào)。遠(yuǎn)程斷電是控制繼電器輸出觸點(diǎn) 信號(hào)來(lái)對(duì)斷電儀進(jìn)行操作，如圖 213。 控制芯片采用 ULN2021，它的工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá) 500mA，內(nèi)部集成反向泄流二極管，繼電器線圈不 必再單獨(dú)安裝，節(jié)省了電路板空間。采用雙路繼電器，如圖 214，一路輸出觸點(diǎn)信號(hào)的同時(shí)，另一路反饋高低電平信號(hào)給主控芯片，可以判斷繼電器是否確實(shí)動(dòng)作，有效的保障了斷電動(dòng)作的準(zhǔn)確執(zhí)行，避免了發(fā)出命令確因繼電器故障而沒(méi)有執(zhí)行的情況。這在煤礦安全生產(chǎn)中是具有重要意義的。 15 圖 213 ULN2021接口電路 PCB設(shè)計(jì) 井下環(huán)境比較潮濕，分站作為精密的監(jiān)測(cè)設(shè)備需要密封在箱體中。如果分站是一體化設(shè)計(jì)，則在接入或者更換傳感器時(shí)必然要暴露在潮濕的空氣中，這將極大縮短分站的壽命和工作可靠性。因此本設(shè)計(jì) 將整個(gè)分站分為四部分，分別為主控板，包括幾乎所有的功能電路，而接口板 A和 B只是單純的接線端子板。這樣的好處是可將主控板和顯示板密封，在接入傳感器時(shí)只對(duì)接口板進(jìn)行操作，避免了主控板頻繁暴露，保障了分站的正常工作。分站機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 215所示。 在具體的 PCB設(shè)計(jì)中，要嚴(yán)格按照《中華人民共和國(guó)爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第4部分：本質(zhì)安全型》的要求來(lái)設(shè)計(jì)。其中對(duì)印制電路板的導(dǎo)線寬度，允許電流，以及最小間隙等做了詳細(xì)的規(guī)定。 圖 214 一路遠(yuǎn)程斷電輸出 16 主 控 板 顯 示 板接 口 板 A 接 口 板 B 圖 215 分站結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 17 3 分站的軟件設(shè)計(jì) 與實(shí)現(xiàn) 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在目前的嵌入式應(yīng)用中用得越來(lái)越廣泛，尤其在功能復(fù)雜、系統(tǒng)龐大的應(yīng)用中越來(lái)越重要。它的優(yōu)點(diǎn)：首先，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的可靠性。其次，提高了開發(fā)效率，縮短了開發(fā)周期。最后，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)充分發(fā)揮了32位 CPU的多任務(wù)潛力。本文的軟件設(shè)計(jì)就是基于 μC/OSⅡ 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來(lái)編寫的。 μC/OSⅡ 簡(jiǎn)介 μC/OSⅡ 的特點(diǎn)如下： ●公開源代碼 ●可移植性 (Portable) μc/OSⅡ 源代碼除了與微處理器硬件相關(guān)的那部分是用匯編語(yǔ)言編寫的，絕大部分 μc/OSⅡ 的源碼是用移植性很強(qiáng)的 ANSI C編寫的。并且用匯編語(yǔ)言編寫的部分已經(jīng)壓到最低限度，使得 μc/OSⅡ 更方便地移植到其他微處理器上。 ●可固化 (RO Mable) μC/OSⅡ 是為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)，這就意味著，只要用戶有固化手段(C編譯、連接、下載和固化 )，就可以將 μc/OSⅡ 嵌入到用戶的產(chǎn)品中成為產(chǎn)品的一部分。 ●可裁剪 (Scalable) 可以根據(jù)用戶的實(shí)際需要使用條件編譯來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) μc/OSⅡ 的裁剪，這樣可以減少產(chǎn)品中的 UC/OSII所需的存儲(chǔ)器空間 (RAM和 ROM)。 ●占先式 (Preemptive) μc/OSⅡ 是可剝奪型的實(shí)時(shí)內(nèi)核，即總是運(yùn)行就緒條件下優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。 ●多任務(wù) μc/OSⅡ 可以管理 64個(gè)任務(wù)。目前這一版本保留 4個(gè)最高優(yōu)先級(jí)和 4個(gè)最低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)給以后 μc/OSⅡ 的版本使用，用戶應(yīng)用程序的任務(wù)最多可以有 56個(gè)。 ●可確定性 用戶能知道 μC/OSⅡ 的函數(shù)調(diào)用和服務(wù)的執(zhí)行時(shí)間。 ●任務(wù)棧 μC/OSⅡ 的每個(gè)任務(wù)有自己?jiǎn)为?dú)的棧，允許每個(gè)任務(wù)有不同的棧空間。 ●系統(tǒng)服務(wù) μC/OSⅡ 提供 了很多系統(tǒng)服務(wù)，例如信號(hào)量、郵箱、數(shù)據(jù)隊(duì)列、塊大小固定的內(nèi)存的申請(qǐng)與釋放、時(shí)間相關(guān)函數(shù)等。 ●中斷管理 18 中斷可以使正在執(zhí)行的任務(wù)暫時(shí)掛起，如果優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)被該中斷喚醒，則高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)在中斷嵌套全部退出后立即執(zhí)行，中斷嵌套層數(shù)可達(dá) 255層。 ●穩(wěn)定性與可靠性 μC/OSⅡ 與 μC/OS的內(nèi)核是一樣的， μC/OSⅡ 自 1992年以來(lái)已有數(shù)百個(gè)商業(yè)應(yīng)用。 μC/OSⅡ 最常用的功能就是對(duì)任務(wù)的處理，每一個(gè)任務(wù)都是一個(gè)無(wú)限循 環(huán)，而且在任一時(shí)刻，任務(wù)的狀態(tài)一定是圖 214中所示的 5種狀態(tài) 之一。 刪除任務(wù) 收到消息 掛起 掛起時(shí)間到 等待消息 創(chuàng)建任務(wù) 任務(wù)調(diào)度 中斷 刪除任務(wù) 任務(wù)被占先 中斷結(jié)束 刪除任務(wù) 圖 31 μC/OSⅡ 任務(wù)狀態(tài) 休眠態(tài) (Dormant)：指任務(wù)駐留在內(nèi)存中，但并不被多任務(wù)內(nèi)核所調(diào)度。把任務(wù)交給內(nèi)核是通過(guò)調(diào)用 0STaskCreate()或 0STaskCreatExt()實(shí)現(xiàn)的。任務(wù)可以在多任務(wù)調(diào)度開始之前建立，也可以在其他運(yùn)行著的任務(wù)中建立。任務(wù)不能由中斷服務(wù)程序建立。如果一個(gè)任務(wù)是在另一個(gè)任務(wù)的執(zhí)行過(guò)程中建立的，而且這個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)高于建立它的那個(gè)任務(wù)，那么剛剛建立的任務(wù)將立即執(zhí)行。一個(gè)任務(wù)可以通過(guò)調(diào)用 0STaskDel()返回到休眠態(tài)，或通過(guò)調(diào)用該函數(shù)讓另一個(gè)任務(wù)進(jìn)入睡眠態(tài)。 就緒態(tài) (Ready)：當(dāng)任務(wù) 一旦建立，這個(gè)任務(wù)就已經(jīng)準(zhǔn)備好，可以運(yùn)行了。但由于該任務(wù)的優(yōu)先級(jí)低于正在運(yùn)行的任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，所以暫時(shí)還不能運(yùn)行，等待正在運(yùn)行的任務(wù)釋放 CPU。就緒態(tài)任務(wù)可以通過(guò)調(diào)用 OSTaskDel0使任務(wù)返回到休眠態(tài)。 運(yùn)行態(tài) (Running)：準(zhǔn)備就緒的最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)獲得了 CPU的使用權(quán)，從而進(jìn)入運(yùn)行態(tài)。 等待或掛起態(tài) (Waiting)：正在運(yùn)行的任務(wù)由于調(diào)用延時(shí)函數(shù) 0STimeDly()或等待某一事件的發(fā)生而將自身掛起，從而處于等待或掛起態(tài)。 被中斷態(tài) (Interrupt)：發(fā)生中斷時(shí)，中斷服務(wù)子程序獲得了 CPU的 使用，使得正在運(yùn)行的任務(wù)暫時(shí)不能運(yùn)行，從而進(jìn)入被中斷態(tài)。如果中斷服務(wù)子程序使一個(gè)優(yōu)先級(jí)更高的等待或掛起 休眠態(tài) 就緒態(tài) 運(yùn)行態(tài) 被中斷態(tài) 19 任務(wù)準(zhǔn)備就緒，那么中斷服務(wù)子程序返回之后，優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)進(jìn)入運(yùn)行態(tài)。否則，原先被中斷的任務(wù)繼續(xù)運(yùn)行。 μC/OSⅡ 在 S3C2410上的移植 所謂移植，就是使一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核能在某個(gè)微處理器或微控制器上運(yùn)行。為使 μC/OSⅡ可以正常工作，微處理器必須滿足下面的條件。 1．處理器的 C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼。 2．在程序中可以打開或關(guān)閉中斷。 3．處理器支持中斷，并能產(chǎn)生定時(shí)中斷 (通常在為 10～ 1000Hz)。 4．處理器支持能夠容納一定量數(shù)據(jù)的硬件堆棧。 5．處理器有將堆棧指針和其他 CPU寄存器讀寫到堆棧 (或者內(nèi)存 )的指令。 硬件 圖 32 μC/OSⅡ 硬件和軟件體系結(jié)構(gòu) 為了方便移植，大部分的 } μC/OSⅡ 代碼是用 C 語(yǔ)言寫的；但仍需要用 C 和匯編語(yǔ)言寫一些與處理器相關(guān)的代碼，如圖 32，這是因?yàn)? μC/OSⅡ 在讀寫處理器寄存器時(shí)只能通 應(yīng)用程序軟件 μ C/OSⅡ （與處理器無(wú)關(guān)的代碼） μ C/OSⅡ .C μ C/OSⅡ .H μ C/OSⅡ設(shè)置 （與應(yīng)用相關(guān)的代碼） O