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摘要：本文主要設計了一個(gè)用在壓裝監測設備上的嵌入式實(shí)時(shí)數據采集系統。該數據采集系統采用單片機C8051f060作為主控芯片，并在上面移植了UCOS-II實(shí)時(shí)操作系統。C8051f060集成了許多該采集系統的功能模塊，使得該系統外圍驅動(dòng)設備很簡(jiǎn)單，由于引入了UCOS-II實(shí)時(shí)操作系統，在程序的編寫(xiě)調試和功能模塊的擴展都得到大大簡(jiǎn)化。系統采用多任務(wù)并行的運行方式，使得采集和發(fā)送數據具有很好的實(shí)時(shí)性，從而保證整個(gè)壓裝監測設備能穩定地運行，并大大提高壓裝零件判斷的準確率。 引言 隨著(zhù)經(jīng)濟和社會(huì )的發(fā)展，我國的工業(yè)水平和信息技術(shù)水平也得到了飛速發(fā)展。其中工業(yè)中最為常見(jiàn)的零部件組裝和裝備壓裝監測設備也得到了不斷的改進(jìn)。壓裝的過(guò)程其實(shí)就是按規定的技術(shù)要求將零部件進(jìn)行組培和連接，使之成為半成品或者成品的工藝過(guò)程[1]。如圖1所示，就是將兩個(gè)零部件進(jìn)行過(guò)盈無(wú)鍵組裝配合，使之牢固結合在一起。工業(yè)中很多機械設備都是通過(guò)這種壓裝方式組合到一起的，包括火車(chē)輪對、軸承、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機、變速器、底盤(pán)等關(guān)鍵部件[2]。壓裝的質(zhì)量決定了以后產(chǎn)品的使用質(zhì)量和人民的生命財產(chǎn)都息息相關(guān)。我們知道壓裝質(zhì)量的評判標準，主要是根據壓裝過(guò)程中壓力和位移的變化曲線(xiàn)來(lái)確定的[3]。而壓力位移曲線(xiàn)的獲取這就需要由良好的運行穩定的數據采集系統來(lái)提供�；诖�，本文提出一種基于UCOS-II的數據采集系統，在保證實(shí)時(shí)準確的數據的基礎上，使整個(gè)壓裝監測設備能準確地實(shí)時(shí)監測壓裝曲線(xiàn)[4]，自動(dòng)判斷壓裝結果，并將結果進(jìn)行存儲和統計。 1 壓裝監測設備系統總述 如圖2所示，該壓裝監測系統主要由兩部分組成，第一部分是由主控芯片S3C2440構成核心控制和數據處理單元[5];它實(shí)現壓力位移的數據曲線(xiàn)圖繪制、數據的分析處理、數據的存儲以及人機交互相關(guān)功能的實(shí)現[6]。第二部分是由C8051f060作為控制單元的數據采集系統，主要的任務(wù)是數據實(shí)時(shí)采集、數據發(fā)送、指令的接收以及PLC控制。系統的大概工作流程如下：首先通過(guò)人機交互S3C2440發(fā)送指令給C8051f060，C8051f060處理指令之后通過(guò)PROFIBUS總線(xiàn)實(shí)現對PLC的開(kāi)始或停止等相關(guān)操作，當接收到開(kāi)始指令時(shí)，C8051f060會(huì )同時(shí)采集壓裝過(guò)程的位移和壓力數據，并將這些數據實(shí)時(shí)發(fā)送給S3C2440，最后S3C2440會(huì )對這些數據進(jìn)行曲線(xiàn)圖繪制、結果判定等操作。 2 壓裝數據采集系統 本文的重點(diǎn)是對壓裝設備的采集系統進(jìn)行論述。根據上面的系統總述，我們知道該數據采集系統必須達到以下方面的要求。第一，ADC的選擇，ADC必須是精度足夠高，由于同時(shí)采集壓力和位移數據，并且采集的數據量很大，所以必須選擇多通道的高速高精度AD轉換器[7]。第二，數據傳輸能力，由于設備壓裝一次所需要的時(shí)間很短，為了保證采集之后的數據能迅速并實(shí)時(shí)地在ARM上繪制并判斷，所以數據傳輸必須采用高速的傳輸協(xié)議。第三，I/O口的數量，由于該數據采集系統除了采集數據之外，它還得實(shí)現對PLC的控制，所以在除去其它包括存儲芯片I/O，采集I/O，數據傳輸I/O等I/O口之外，必須還得留有多余的I/O口對PLC進(jìn)去控制，所以I/O口數量要求比較多。 2.1 數據采集系統硬件設計 鑒于以上要求，我們選取C8051f060作為該數據采集系統的控制芯片[8]。C8051f060是完全集成的混合信號片上系統型MCU，里面具有兩個(gè)16位精度1Msps最高轉換速度的AD轉換器，轉換數據直接存儲到RAM中，不需額外軟件開(kāi)銷(xiāo)，可同時(shí)使用的硬件SMBus，高速SPI及兩個(gè)UART串行端口，具有 59 個(gè)數字 I/O 引腳[9]。其中串口和SPI口都可直接和ARM連接無(wú)需其它驅動(dòng)電路。傳感器方面，該系統采用壓力傳感器C9B，位移傳感器PY1，然后對其產(chǎn)生的電壓信號進(jìn)行濾波放大送到單片機的AD采集端。 2.2 數據采集系統軟件設計 由于該數據采集系統是以8為單片機為控制控制芯片，它得同時(shí)處理數據采集轉換、SPI數據傳輸、串口接收、PLC控制等多個(gè)任務(wù)[10]。而且對于壓裝系統來(lái)說(shuō)，由于機器壓裝一次速度很快，并且所采集的數據量也很大，所采集及傳輸必須具有很高的實(shí)時(shí)性。如果用傳統的單片機編寫(xiě)程序模式，它的程序規模會(huì )很大，系統調試復雜，特別在這種需要運行多個(gè)并行任務(wù)的情況，就顯得有些力不從心，更主要的是系統的穩定性和實(shí)時(shí)性很難得到保障。 所以本數據采集系統采用能實(shí)現多任務(wù)同時(shí)運行的UCOS-II實(shí)時(shí)操作系統[11]。UCOS-II是有Micrium公司提供的一款可移植、可裁剪的小型多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統，它具有執行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性?xún)?yōu)良和擴展性良好的特點(diǎn)。雖然體積小但它包含了任務(wù)調度、任務(wù)管理、時(shí)間管理、內存管理和任務(wù)間的通信和同步等功能。UCOS-II中最大可支持64個(gè)任務(wù)，分別對應優(yōu)先級為0—63，高優(yōu)先級任務(wù)可以搶占低優(yōu)先級CPU資源。多任務(wù)操作系統是把CPU的執行分為多個(gè)很多個(gè)時(shí)間塊，任務(wù)A執行完后它會(huì )把CPU的使用權交給任務(wù)B，而且高優(yōu)先級的任務(wù)每執行會(huì )主動(dòng)放棄一段CPU的使用時(shí)間，把使用權交給其它的任務(wù)，這樣多個(gè)任務(wù)依次輪轉運行，由于時(shí)間塊很短，這些任務(wù)就好像是在同步并行運行了[12]。 本數據采集系統如圖3所示將其功能模塊劃分為四個(gè)任務(wù)：數據采集任務(wù)、數據發(fā)送任務(wù)、PLC通信任務(wù)、串口讀寫(xiě)任務(wù)。 (1)數據采集任務(wù)：數據采集任務(wù)就是每次壓裝開(kāi)始時(shí)，通過(guò)C8051f060單片機片內的AD轉換器進(jìn)行雙通道的數據采集，采集的速度為5kHz。并同時(shí)將采集到的數據通過(guò)DMA方式保存到片外RAM中去。壓裝停止時(shí)，停止采集。 (2)數據發(fā)送任務(wù)：數據發(fā)送任務(wù)是將放在片外RAM中所采集的壓力和位移數據，通過(guò)SPI協(xié)議傳輸給ARM處理器，ARM再對這些數據進(jìn)行曲線(xiàn)圖繪制和壓裝結果的判斷等操作。在片外RAM沒(méi)有采集數據時(shí)，該任務(wù)會(huì )處于休眠等待狀態(tài)。 (3)PLC通信任務(wù)：該系統通過(guò)在C8051f060上設置了14個(gè)I/O口與PLC通信，7個(gè)輸入和7個(gè)輸出。該任務(wù)是一方面監測ARM傳送過(guò)來(lái)的指令，然后對7個(gè)輸出口進(jìn)行操作，另一方面不斷監測7個(gè)輸入I/O口，觀(guān)察PLC有沒(méi)有發(fā)送指令給ARM。 (4)串口讀寫(xiě)任務(wù)：串口讀寫(xiě)任務(wù)簡(jiǎn)單來(lái)講就是接收并讀取來(lái)自ARM經(jīng)過(guò)RS232發(fā)送過(guò)來(lái)的指令，然后發(fā)送PLC給ARM的一些信號。 其中最關(guān)鍵的核心任務(wù)是數據發(fā)送和數據采集這兩個(gè)任務(wù)。因為只有等運行采集任務(wù)，在片外RAM中保存了數據之后，數據發(fā)送任務(wù)才能發(fā)送。所以在任務(wù)的調度上為了協(xié)調好兩者的關(guān)系，于是在這兩個(gè)任務(wù)之中加入了一個(gè)任務(wù)之間通信的信號量。開(kāi)始時(shí)信號量為0表示RAM中沒(méi)有采集的數據，即數據發(fā)送任務(wù)不能進(jìn)行，當RAM中保存了一個(gè)數據之后，信號量置1，數據發(fā)送任務(wù)就可以運行了，當數據發(fā)送速度大于數據的采集速度時(shí)，即RAM中的數據為零時(shí)，這時(shí)候信號量又置0，使得數據發(fā)送任務(wù)等待數據采集任務(wù)。所以加入信號量之后就能保證任務(wù)之間能正常有秩序的運行。 3 總結 UCOS-II是一款實(shí)用性很強的小型嵌入式實(shí)時(shí)操作系統[13]，隨著(zhù)整個(gè)嵌入式行業(yè)的發(fā)展，它的應用也越來(lái)越廣泛，優(yōu)越性也愈加明顯。在此壓裝監測設備上，筆者把它移植到了功能強大的C8051f060單片機上，通過(guò)多任務(wù)并行執行調度方式，實(shí)現了壓裝監測設備的一個(gè)核心單元，即實(shí)時(shí)數據采集系統。UCOS-II與C8051f060的結合，使得該數據采集系統能實(shí)時(shí)準確地采集到壓力和位移數據，并快速的發(fā)送給上層處理單元，使得整個(gè)壓裝監測設備能正常穩定地運行，并取得預期效果。 參考文獻： [1]尹珊波.滾動(dòng)軸承壓裝力與壓裝曲線(xiàn)的研究[D].長(cháng)沙：中南大學(xué),2005. 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