淺談嵌入式在地鐵雜散電流監測裝置的設計

1 地鐵雜散電流產生原理

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/149872.htm

地鐵牽引供電一般為直流供電，而當直流大電流沿地面敷設的軌道流動時，直流電流除了在軌道中流動外，還會從軌道洩漏到大地，在大地中的各種金屬物體上流動，然後再回到電源系統。這部分洩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。由於雜散電流對埋入地下金屬產生腐蝕作用，就可能使得某些地方的地下金屬在自然腐蝕的同時又受到嚴重的雜散電流電腐蝕作用，導致地鐵電化腐蝕速度加快。

2 實驗室模擬裝置的設計

由於地下鐵道的特殊環境，理論上和實際中都難以在現場進行實驗，因此這類課題的研究和實驗，多數情況下往往要在實驗室裡進行，圖1是自行設計的一個實驗室模擬地下鐵道雜散電流的產生和對地下金屬腐蝕作用的實驗裝置。

3 數據採集系統的設計

3.1 系統概述

本系統由硬體和軟體兩部分組成。硬體以SST89C51 和8位ADC 晶片AD0809 為核心，具有鍵盤控制和液晶顯示功能，該系統還具有實時時間顯示和看門狗功能，可以通過RS232接口與外部（微機） 通信。系統的軟體以實時嵌入式作業系統ucos2 為基礎，採用多任務機制，通過任務調度和任務監視，系統具有較好的實時性和安全性。ucosII 是源碼公開的實時嵌入式作業系統，採用優先級調度算法完成任務間的調度，並支持搶佔式調度。ucosII具有可裁減的體系結構，μC/OS-II是一種可移植的，可植入ROM的，可裁剪的，搶佔式的，實時多任務作業系統內核。它被廣泛應用於微處理器、微控制器和數位訊號處理器。嚴格地說uC/OS-II只是一個實時作業系統內核，它僅僅包含了任務調度，任務管理，時間管理，內存管理和任務間的通信和同步等基本功能。沒有提供輸入輸出管理，文件系統，網絡等額外的服務。但由於uC/OS-II良好的可擴展性和源碼開放，這些非必須的功能完全可以由用戶自己根據需要分別實現μC/OS-II 的前身是μC/OS,並把μC/OS 的源碼發布在該雜誌的 BS上。並具有內存管理、中斷管理和任務控制塊（TCB） 擴展的功能。ucosII還提供很多系統服務，例如郵箱、消息隊列、信號量等等。還具有可移植性好，結構簡單等優點。

3.2 系統的硬體設計

系統的硬體組成框圖如圖2 所示。各電阻電壓信號經過隔離放大，然後通過線性光耦的隔離後，別傳送到多路採集A/D轉換晶片0809的輸入端進行數據採集。經A/D轉換後的數字量被單片機讀入，經處理後可，在液晶上顯示出具體數據。同時也可以由通信接口讀入微機進行進一步的處理和分析。液晶有系統提示和實時時間顯示，可以通過鍵盤進行選擇和控制。

A/D轉換可採用價格低廉又通用的8位逐次逼近式ADC ADC,即移動ADC,是ApplicatiON data center的縮寫，其實是ASP模式與IDC業務的結合的演變，是由中國移動推出的一項移動信息化產品業務，主要針對中小企業，屬於移動信息化的行業應用，業務主要包括有移動OA、手機郵箱、無線網站以及移動進銷存等四款行業應用託管解決方案。AD轉換就是模數轉換，顧名思義，就是把模擬信號轉換成數位訊號。，適合數據採集，轉換時間可達100 us .系統外部擴展32 kROM 和RAM ,供緩存數據和存貯程序。液晶採用日立公司系列產品中的D44780 ,可以顯示16字×2行的字符模組。時間晶片採用的是M48T86 ,具有實時時間和日曆顯示功能。整個系統採用全地址解碼法，外部設備和存儲器統一編址。

3.3 系統的軟體設計

3.3.1 傳統的程序流程

一個典型的單片機數據採集系統的程序通常包括輸入/ 輸出控制、數據處理和顯示、鍵盤管理等模塊。程序採用循環方式，流程如圖3所示。

可以看到，傳統的程序是基於單任務機制的，各個模塊構成一個整體，作為一個任務運行。在實際應用中，這種程序的安全性差，只要一個系統的設計模塊出了錯誤，整個系統工作就會被打亂，只有利用看門狗進行復位。這對於比較複雜的系統，在實際運行中看門狗就會頻繁地發生復位操作。而且由於數據採集和鍵盤程序的執行頻率可能相差很多，這樣對系統的定時要求就會很高，傳統的程序流程對實時性就難以很好地滿足。

3.3.2 基於ucosII 的系統程序流程

基於ucosII 的程序流程如圖4所示。程序中，每個模塊對應一個任務，彼此之間是並行的，但每個模塊都對應著一個不同的優先級，由作業系統進行調度運行。系統可以通過監控模塊對其他模塊的工作進行監控，從而減少看門狗的復位次數。而且通過ucosII 內核的任務調度，系統的實時性會提高很多。

3. 4 任務的劃分和構成

系統中並行存在的幾個任務按優先級從高到低依次是：顯示任務、鍵盤管理任務、輸出任務、各路數據數據採集任務和數據處理任務。系統採用靜態優先級，這樣系統的控制會相對比較簡單。

系統中的每個任務包括應用程式、任務堆棧以及任務控制塊（ TCB） 三部分。任務控制塊是一個數據結構，當任務的CPU 使用權被剝奪時，ucosII 用它來保存該任務的狀態。當任務重新獲得CPU 的使用權時，任務控制塊能確保任務從被中斷的那一點執行下去。作業系統可以通過查詢任務控制塊的內容從而對任務進行管理。系統中任務的狀態有5 種：休眠態、就緒態、運行態、中斷服務和等待態。狀態之間的轉換如圖5所示。

休眠態時任務駐留在程序空間中，還沒有交給uc/ os2II 管理。當任務一旦建立，就進入就緒態。就緒態中優先級最高的任務轉為運行態。如果系統的運行導致就緒態中的一個任務優先級高於運行態的任務優先級，則系統通過調度使運行態任務喪失對CPU 的控制權轉為等待態或者就緒態，轉而運行就緒態中的那個任務。這樣就實現了任務的切換。

每個處於等待態的任務都對應一個等待時間，時間管理函數可將等待時間已過的等待態的任務轉為就緒態，這實際上也就是時鐘中斷的中斷服務程序。

3.5 任務的通信和調度

本系統中任務間的通信採用消息隊列來完成的。消息隊列是uc/ os2II 中的一種通信機制，可以使一個任務或者中斷服務子程序向另一任務發送以指針方式定義的變量。為方便易用，採用消息隊列，用於數據採集任務、數據處理任務、鍵盤管理任務、輸出任務、顯示任務之間的通信。系統通過隊列控制塊來管理消息隊列，每個消息隊列對應一個隊列控制塊。消息的存取基於優先級原則，隊列控制塊中等待任務列表內優先級任務最高的任務先從消息隊列中取消息，系統採用搶佔式內核，調度函數總是保證優先級最高的就緒態任務轉為運行態。當就緒態的任務搶佔CPU 時，系統執行一次中斷服務程序。當任務中的消息發送完成以及中斷返回時，系統調用調度函數，將任務從等待態轉為就緒態，這樣就緒態中任務的最高優先級就會發生變化，進而影響到運行態和就緒態間的任務切換。

4 系統的工作過程

本系統採用兩種方式顯示採集電流的大小，循環顯示和指定顯示，在正常工作情況下，採用循環顯示方式顯示8路採集電流大小，每採集完一路電壓，就向數據處理任務發送一條消息，而數據處理任務每處理完一路就向顯示任務發送一條消息，由於鍵盤掃描任務優先級比數據採集任務最高，每當用戶鍵盤選擇時，就搶斷當前採集任務，而去處理用戶需要選擇的那路電壓，並相應顯示。當採集電流超過一定標準時，系統會報警，以告之監測人員，另外本系統還留有串行232接口，用於和微機通信，以儲存雜散電流的歷史情況

5 結束語

本系統經調試，軟硬體工作均正常。實驗證明，本系統較傳統的數據採集系統在安全性和實時性方面都有了很大的提高，數據採集系統包括了：可視化的報表定義、審核關係的定義、報表的審批和發布、數據填報、數據預處理、數據評審、綜合查詢統計等功能模塊。通過信息採集網絡化和數位化，擴大數據採集的覆蓋範圍，提高審核工作的全面性、及時性和準確性；最終實現相關業務工作管理現代化、程序規範化、決策科學化，服務網絡化。完全能夠適應複雜系統的需要。隨著網絡和多媒體技術的發展，嵌入式系統的應用有著更廣闊的空間。