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摘要：本文主要設(shè)計(jì)了一個(gè)用在壓裝監(jiān)測(cè)設(shè)備上的嵌入式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用單片機(jī)C8051f060作為主控芯片，并在上面移植了UCOS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。C8051f060集成了許多該采集系統(tǒng)的功能模塊，使得該系統(tǒng)外圍驅(qū)動(dòng)設(shè)備很簡(jiǎn)單，由于引入了UCOS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，在程序的編寫調(diào)試和功能模塊的擴(kuò)展都得到大大簡(jiǎn)化。系統(tǒng)采用多任務(wù)并行的運(yùn)行方式，使得采集和發(fā)送數(shù)據(jù)具有很好的實(shí)時(shí)性，從而保證整個(gè)壓裝監(jiān)測(cè)設(shè)備能穩(wěn)定地運(yùn)行，并大大提高壓裝零件判斷的準(zhǔn)確率。 引言 隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)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)中最為常見的零部件組裝和裝備壓裝監(jiān)測(cè)設(shè)備也得到了不斷的改進(jìn)。壓裝的過程其實(shí)就是按規(guī)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程[1]。如圖1所示，就是將兩個(gè)零部件進(jìn)行過盈無鍵組裝配合，使之牢固結(jié)合在一起。工業(yè)中很多機(jī)械設(shè)備都是通過這種壓裝方式組合到一起的，包括火車輪對(duì)、軸承、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、底盤等關(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(cái)產(chǎn)都息息相關(guān)。我們知道壓裝質(zhì)量的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，主要是根據(jù)壓裝過程中壓力和位移的變化曲線來確定的[3]。而壓力位移曲線的獲取這就需要由良好的運(yùn)行穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來提供。基于此，本文提出一種基于UCOS-II的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在保證實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，使整個(gè)壓裝監(jiān)測(cè)設(shè)備能準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓裝曲線[4]，自動(dòng)判斷壓裝結(jié)果，并將結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)和統(tǒng)計(jì)。 1 壓裝監(jiān)測(cè)設(shè)備系統(tǒng)總述 如圖2所示，該壓裝監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由兩部分組成，第一部分是由主控芯片S3C2440構(gòu)成核心控制和數(shù)據(jù)處理單元[5];它實(shí)現(xiàn)壓力位移的數(shù)據(jù)曲線圖繪制、數(shù)據(jù)的分析處理、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及人機(jī)交互相關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)[6]。第二部分是由C8051f060作為控制單元的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要的任務(wù)是數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送、指令的接收以及PLC控制。系統(tǒng)的大概工作流程如下：首先通過人機(jī)交互S3C2440發(fā)送指令給C8051f060，C8051f060處理指令之后通過PROFIBUS總線實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的開始或停止等相關(guān)操作，當(dāng)接收到開始指令時(shí)，C8051f060會(huì)同時(shí)采集壓裝過程的位移和壓力數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給S3C2440，最后S3C2440會(huì)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線圖繪制、結(jié)果判定等操作。 2 壓裝數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 本文的重點(diǎn)是對(duì)壓裝設(shè)備的采集系統(tǒng)進(jìn)行論述。根據(jù)上面的系統(tǒng)總述，我們知道該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須達(dá)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(shù)據(jù)，并且采集的數(shù)據(jù)量很大，所以必須選擇多通道的高速高精度AD轉(zhuǎn)換器[7]。第二，數(shù)據(jù)傳輸能力，由于設(shè)備壓裝一次所需要的時(shí)間很短，為了保證采集之后的數(shù)據(jù)能迅速并實(shí)時(shí)地在ARM上繪制并判斷，所以數(shù)據(jù)傳輸必須采用高速的傳輸協(xié)議。第三，I/O口的數(shù)量，由于該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)除了采集數(shù)據(jù)之外，它還得實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的控制，所以在除去其它包括存儲(chǔ)芯片I/O，采集I/O，數(shù)據(jù)傳輸I/O等I/O口之外，必須還得留有多余的I/O口對(duì)PLC進(jìn)去控制，所以I/O口數(shù)量要求比較多。 2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 鑒于以上要求，我們選取C8051f060作為該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制芯片[8]。C8051f060是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU，里面具有兩個(gè)16位精度1Msps最高轉(zhuǎn)換速度的AD轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)到RAM中，不需額外軟件開銷，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(shù)字 I/O 引腳[9]。其中串口和SPI口都可直接和ARM連接無需其它驅(qū)動(dòng)電路。傳感器方面，該系統(tǒng)采用壓力傳感器C9B，位移傳感器PY1，然后對(duì)其產(chǎn)生的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波放大送到單片機(jī)的AD采集端。 2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 由于該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是以8為單片機(jī)為控制控制芯片，它得同時(shí)處理數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換、SPI數(shù)據(jù)傳輸、串口接收、PLC控制等多個(gè)任務(wù)[10]。而且對(duì)于壓裝系統(tǒng)來說，由于機(jī)器壓裝一次速度很快，并且所采集的數(shù)據(jù)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(tǒng)的單片機(jī)編寫程序模式，它的程序規(guī)模會(huì)很大，系統(tǒng)調(diào)試復(fù)雜，特別在這種需要運(yùn)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(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性很難得到保障。 所以本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用能實(shí)現(xiàn)多任務(wù)同時(shí)運(yùn)行的UCOS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[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(tǒng)，它具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性優(yōu)良和擴(kuò)展性良好的特點(diǎn)。雖然體積小但它包含了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時(shí)間管理、內(nèi)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(duì)應(yīng)優(yōu)先級(jí)為0—63，高優(yōu)先級(jí)任務(wù)可以搶占低優(yōu)先級(jí)CPU資源。多任務(wù)操作系統(tǒng)是把CPU的執(zhí)行分為多個(gè)很多個(gè)時(shí)間塊，任務(wù)A執(zhí)行完后它會(huì)把CPU的使用權(quán)交給任務(wù)B，而且高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)每執(zhí)行會(huì)主動(dòng)放棄一段CPU的使用時(shí)間，把使用權(quán)交給其它的任務(wù)，這樣多個(gè)任務(wù)依次輪轉(zhuǎn)運(yùn)行，由于時(shí)間塊很短，這些任務(wù)就好像是在同步并行運(yùn)行了[12]。 本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖3所示將其功能模塊劃分為四個(gè)任務(wù)：數(shù)據(jù)采集任務(wù)、數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)、PLC通信任務(wù)、串口讀寫任務(wù)。 (1)數(shù)據(jù)采集任務(wù)：數(shù)據(jù)采集任務(wù)就是每次壓裝開始時(shí)，通過C8051f060單片機(jī)片內(nèi)的AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行雙通道的數(shù)據(jù)采集，采集的速度為5kHz。并同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)通過DMA方式保存到片外RAM中去。壓裝停止時(shí)，停止采集。 (2)數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)：數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)是將放在片外RAM中所采集的壓力和位移數(shù)據(jù)，通過SPI協(xié)議傳輸給ARM處理器，ARM再對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線圖繪制和壓裝結(jié)果的判斷等操作。在片外RAM沒有采集數(shù)據(jù)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(tǒng)通過在C8051f060上設(shè)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(jiān)測(cè)ARM傳送過來的指令，然后對(duì)7個(gè)輸出口進(jìn)行操作，另一方面不斷監(jiān)測(cè)7個(gè)輸入I/O口，觀察PLC有沒有發(fā)送指令給ARM。 (4)串口讀寫任務(wù)：串口讀寫任務(wù)簡(jiǎn)單來講就是接收并讀取來自ARM經(jīng)過RS232發(fā)送過來的指令，然后發(fā)送PLC給ARM的一些信號(hào)。 其中最關(guān)鍵的核心任務(wù)是數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)采集這兩個(gè)任務(wù)。因?yàn)橹挥械冗\(yùn)行采集任務(wù)，在片外RAM中保存了數(shù)據(jù)之后，數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)才能發(fā)送。所以在任務(wù)的調(diào)度上為了協(xié)調(diào)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(hào)量。開始時(shí)信號(hào)量為0表示RAM中沒有采集的數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)不能進(jìn)行，當(dāng)RAM中保存了一個(gè)數(shù)據(jù)之后，信號(hào)量置1，數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)就可以運(yùn)行了，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送速度大于數(shù)據(jù)的采集速度時(shí)，即RAM中的數(shù)據(jù)為零時(shí)，這時(shí)候信號(hào)量又置0，使得數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)等待數(shù)據(jù)采集任務(wù)。所以加入信號(hào)量之后就能保證任務(wù)之間能正常有秩序的運(yùn)行。 3 總結(jié) UCOS-II是一款實(shí)用性很強(qiáng)的小型嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[13]，隨著整個(gè)嵌入式行業(yè)的發(fā)展，它的應(yīng)用也越來越廣泛，優(yōu)越性也愈加明顯。在此壓裝監(jiān)測(cè)設(shè)備上，筆者把它移植到了功能強(qiáng)大的C8051f060單片機(jī)上，通過多任務(wù)并行執(zhí)行調(diào)度方式，實(shí)現(xiàn)了壓裝監(jiān)測(cè)設(shè)備的一個(gè)核心單元，即實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。UCOS-II與C8051f060的結(jié)合，使得該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地采集到壓力和位移數(shù)據(jù)，并快速的發(fā)送給上層處理單元，使得整個(gè)壓裝監(jiān)測(cè)設(shè)備能正常穩(wěn)定地運(yùn)行，并取得預(yù)期效果。 參考文獻(xiàn)： [1]尹珊波.滾動(dòng)軸承壓裝力與壓裝曲線的研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2005. 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