单片机多任务操作的多功能采集卡设计

阿占文 冯清香

(华中科技大学机械科学与工程学院1，湖北 武汉 430074;华中科技大学机械科学与工程学院2，湖北 武汉 430074)

0 引言

在工业控制领域，数据采集卡是必不可少的硬件。位移、转速、压力、电流、电压转矩等信号一般通过传感器转化为电压或电流输出，由采集卡负责进行A/D转换并交由计算机处理。采集卡的核心芯片一般为单片机或数字信号处理器(digital signal processing，DSP)，配上外围元件实现数据采集［1－3］。本设计运用单片机的多任务操作方式，利用STC12C5A60S2单片机的定时器计数模式，实现了频率采集。同时，采用可编程计数阵列模块的PWM模式，实现了D/A输出。最后采用自带的A/D模块和一个125 Ω的精密电阻，实现了电压、电流采集，并由I/O口输出开关量。

1 多功能采集卡的总体设计

本文所设计的采集卡运用在HJD-DJ1型电机试验台上，需要完成以下任务。

①采集电流传感器JLKT-7和电压传感器JLBV-16的信号，输出分别为0～20 mA电流和0～5 V电压。

②采集转矩传感器和转速传感器ORT-803的信号，输出为(10±5)kHz(正反双向测量值)。

③ D/A输出0～5 V，控制磁粉加力器。

④开关量输出控制变频器通断。

⑤串口通信，传回采集数据，与上位机通信。

1.1 多任务模式软件总体设计

多任务模式如图1所示。

图1 多任务模式示意图Fig.1 Schematic diagram of the multi-tasking mode

单片机因主频低、外设少等原因，在实际运用中必须进行代码优化，同时要充分利用其外设进行多任务模式操作［4－5］。首先对每个任务规定一个时间段，由定时器中断刷新各个任务状态标志变量;然后在主函数中分别查询每个任务的状态标志，若某一任务预设时间到，则执行该任务，否则查询下一任务。这样在实际的运行中便呈现出多任务并发执行［6］。

在单片机程序中，将CPU合理地分配给每个任务是多任务操作模式的关键。系统的最小执行时间段取决于各个任务执行所需最小时间，以保证每个任务在时间段内执行完毕。对采集卡来说，如果设定时间段太小，则有些功能无法执行完;如果太长，则降低了效率。因为最耗时的串口通信和A/D转换已经细分，综合考虑各个任务的耗时，最小执行时间段确定为5 ms，即定时器每5 ms中断刷新计时变量，各个任务预设时间必须是5 ms的整数倍，且互相不可整除。另外，还要确定各个任务的外设资源分配情况。预设时间和外设分配如表1所示。

表1 各个任务预设时间表Tab.1 Preset time table of each task

1.2 多功能采集卡的硬件设计

本文设计的多功能采集卡由单片机最小系统、RC滤波网络、D/A输出的功率放大电路、用于测量电流的125 Ω精密电阻和各个引脚1 kΩ的限流电阻组成［2］。其中，功率放大电路由光耦实现。采集卡连线如图2所示。

图2 采集卡连线图Fig.2 Wirings of the acquisition module

2 多任务操作模式的实现

2.1 定义任务结构体

为避免在主函数中反复调用任务处理函数，定义一个任务结构体，这也是任务管理函数的核心。具体代码如下。

2.2 任务管理和处理函数

根据表1中各个任务的预设时间，按照任务结构体的运用程序流程图编写任务管理函数task_manager()，并在主定时器中直接调用。编写的任务处理函数task_process()用来检测每个任务的允许运行变量，并在允许的情况下执行任务。任务处理函数流程图如图3所示。

图3 任务处理函数流程图Fig.3 Flowchart of task processing function

2.3 任务的细分

对于多任务操作，每个任务必须在规定的时间片完成，所以单个任务时间不可太长，否则会影响其他任务，使整个程序效率降低。但在数据采集中有一些功能耗时比较长，如串口通信和A/D模块。针对这种问题就要进行任务细分，一般将一个长任务划分为初始化、执行、返回等部分，这样就使得一个耗时比较长的任务变成多个短任务，保证了多任务模式的运行。

上位计算机要求采集卡将所采集数据传回时必须做出响应。因为多功能采集卡所采集的数据较多，若通过串口将数据传回，则受限于串口通信的波特率，难以在短时间内完成任务。为此，通过利用一个巧妙的缓冲发送结构进行细分，从而解决该问题。具体代码与下文A/D采集部分类似。

A/D采集部分也以同样的方式进行细分，具体代码如下。

3 采集卡功能的软件实现

在多功能采集实现过程中，采用软件方式代替外围硬件来实现大部分功能，具体方案如下。

利用STC12C5A60S2单片机的定时器1作为串口模块的波特率发生器，实现串口通信。定时器0则工作在计数模式，完成频率采集功能。因为该型号单片机定时器只有两个，还需要一个主定时器来实时刷新任务标志变量，所以利用可编程计数阵列模块组成16位软定时器实现该功能。普通采集卡进行D/A转换时一般通过专用芯片完成，这样就增加了外围的元件，本设计再次利用单片机提供的可编程计数阵列，以PWM模式输出PWM波形，通过改变占空比并配合一个简单的RC低通滤波器实现D/A功能。采用自带的A/D模块和一个125 Ω的精密电阻，实现了电压、电流采集。开关量可以用来控制变频器的开关或LED灯的亮灭等，由I/O口输出高低电平即可。下面具体讨论D/A转换和频率采集功能的实现。

3.1 D/A转换功能的PWM实现

D/A输出在工业现场应用十分广泛，比如电压控制的变频调速、磁粉加力器的力矩控制等。D/A转换的实现方法有两种:一种是外接专用芯片，另一种是采用软件实现。本文采用第二种方法，即首先利用STC12C5A60S2单片机的可编程计数阵列模块的PWM模式，输出不同占空比的方波，然后通过低通RC滤波器和功率放大即可实现D/A转换功能［8］。可编程计数阵列模块的结构如图4所示。

图4 可编程计数阵列模块结构图Fig.4 Structural diagram of the programmable counting array module

PCA模块输出的占空与使用的捕获寄存器［EPCnL，CCAPnL］有关，当 CL的值小于［EPCnL，CCAPnL］时，输出为低;反之，则输出为高。当CL溢出时，［EPCnH，CCAPnH］的内容装载到［EPCnL，CCAPnL］，从而实现无干扰地更新PWM。

根据图4所示结构，可编写实现PWM的代码如下。

输出不同占空比的PWM波形后，还不能得到模拟电压，此时可以由RC网络组成低通滤波器，滤波器将消除PWM波形的大部分高频成分。从时域角度看，RC电路被充电到一个与PWM波形高电平占整个周期百分比(占空比)成正比的电压电平。为了能得到相对平滑的直流电压电平，RC滤波器必须有相对低的截止频率。但是如果RC常数太大，则RC电压上升到平滑电平的时间就会过长，在两者之间进行折中，选择合适的电阻电容值［7－8］。

3.2 频率采集的实现

频率采集功能和D/A功能一样，可以由专用芯片完成，本文使用定时器0的计数模式实现。由P3.4引脚输入脉冲信号，定时器开始计数;然后在主函数中用一个规定的时间间隔来查询计数值，根据计数值和规定的时间间隔，可以换算得到当前频率。频率采集函数部分代码如下:

4 结束语

HJD-DJ1型电机试验台实际应用表明，整个采集卡代码数量减少了2/3，且流程清晰，维护性、可读性明显好于普通采集程序，并且降低了硬件成本。当工作在极限的情况下，所有任务一起运行时，因为采集数据较多，串口通信稍有延迟，可见所设计的采集卡适用于大部分一般要求的场合。文献［4］还用到了一种新的多任务模式，其任务切换效率更高，但对开发者要求较高。该采集卡现已应用于HJD－DJ1型电机试验台。使用结果表明，该采集卡的使用使程序的可读性和可维护性都有所提高。

［1］郭天祥.新概念51单片机C语言教程:入门、提高、开发、拓展全攻略［M］.北京:电子工业出版社，2009.

［2］丁向荣.单片微机原理与接口技术:基于STC15系列单片机［M］.北京:电子工业出版社，2012.

［3］陈宏伟，黄永明，章国宝，等.单片机多任务的时间片方式实现［J］.单片机与嵌入式系统应用，2012，12(8):73－74.

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［5］吴允平，蔡声镇，乐仁昌，等.单片机程序的限时服务策略及设计［J］.系统工程与电子技术，2004，26(11):1672 －1674.

［6］徐华.51单片机多任务编程设计及应用［J］.软件，2011，32(3):21－27.

［7］粟兵.基于DSP的数据采集卡的研究与设计［D］.武汉:武汉理工大学，2005:20－36.

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