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，還會從軌道泄漏到大地，在大地中的各種金屬物體上流動，然后再回到電源系統。這部分泄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。由于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
由于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里進行,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 數據采集系統的設計
3.1 系統概述
本系統由硬件和軟件兩部分組成。硬件以SST89C51 和8位ADC 芯片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。系統的軟件以實時嵌入式操作系統" title="嵌入式操作系統" target="_blank">嵌入式操作系統ucos2 為基礎,采用多任務機制,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操作系統,采用優先級調度算法完成任務間的調度,并支持搶占式調度。ucosII 具有可裁減的體系結構,并具有內存管理、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 系統的硬件設計
系統的硬件組成框圖如圖2 所示。各電阻電壓信號經過隔離放大，然后通過線性光耦的隔離后，分別傳送到多路采集A/D轉換芯片0809的輸入端進行數據采集。經A/ D轉換后的數字量被單片機讀入,經處理后可，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 轉換可采用價格低廉又通用的8位逐次逼近式ADC ,適合數據采集,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。液晶采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。時間芯片采用的是M48T86 ,具有實時時間和日歷顯示功能。整個系統采用全地址譯碼法,外部設備和存儲器統一編址。CPU 訪問外部存貯器的一切指令均可用于對I/O 端口的訪問, 大大增強了CPU 對外設端口信息的處理能力。
3.3 系統的軟件設計
3.3.1 傳統的程序流程
一個典型的單片機數據采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。程序采用循環方式,流程如圖3所示。
可以看到,傳統的程序是基于單任務機制的,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。這對于比較復雜的系統,在實際運行中看門狗就會頻繁地發生復位操作。而且由于數據采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 基于ucosII 的系統程序流程
基于ucosII 的程序流程如圖4所示。程序中,每個模塊對應一個任務,彼此之間是并行的,但每個模塊都對應著一個不同的優先級,由操作系統進行調度運行。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
系統中并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、各路數據數據采集任務和數據處理任務。系統采用靜態優先級,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序、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。操作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于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。
每個處于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采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，采用消息隊列，用于數據采集任務、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。消息的存取基于優先級原則,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,系統采用搶占式內核,調度函數總是保證優先級最高的就緒態任務轉為運行態。當就緒態的任務搶占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。在本系統中,正在運行的任務需要通過消息(調用OSQPEND( ) 函數) 來等待一個事件的發生。假如該事件一直沒有出現,調用該函數的任務將被置于等待狀態(優先級最低的任務可不需要等待某個消息) 。此時下一個優先級最高的任務將立即獲得CPU 控制權。
4 系統的工作過程
本系統采用兩種方式顯示采集電流的大小，循環顯示和指定顯示，在正常工作情況下，采用循環顯示方式顯示8路采集電流大小，每采集完一路電壓，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，由于鍵盤掃描任務優先級比數據采集任務最高，每當用戶鍵盤選擇時，就搶斷當前采集任務，而去處理用戶需要選擇的那路電壓，并相應顯示。當采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，用于和微機通信，以儲存雜散電流的歷史情況。當所有任務運行完后,開始下一個周期的運行。應用程序與uc/ os2II 的內核是一起下載到單片機系統中。成功的移植需要對內核程序進行一定的修改,主要是修改內核中與硬件密切相關的幾個文件，具體可參考相關文獻.
5 結束語
本系統經調試,軟硬件工作均正常。實驗證明,本系統較傳統的數據采集系統在安全性和實時性方面都有了很大的提高,完全能夠適應復雜系統的需要。