基于实时多任务操作系统的蒸汽流量仪的设计

　　0　引　言

　　在工业生产中,流量是最基本的过程参数之一,直接反映了生产效率和经济效益,需要经常进行测量和控制,以单片机为主体的智能化流量仪表得到了越 来越广泛的应用。传统的仪表,多采用单任务顺序执行的设计方案,软件是一个无限循环,各模块构成一个整体,作为一个任务运行,异步事件和时间相关性很强的 关键操作靠中断服务来保证。这种设计方案的优势在于:程序较为直观,但系统的实时性、稳定性较差,完全依赖于设计工程师的经验和水平,只要一个模块出错卡 住,整个系统工作就会被打乱,只有等待看门狗进行硬复位。随着生产自动化程度的提高,对仪表的精度和实时性的要求越来越高,仪表所包含的功能和软件的复杂 性成倍增长,我们通过实地调研发现,采用单任务机制设计的仪表,当软件复杂性和规模超过一定程度后,在实际运行中,会出现人机界面响应迟缓,看门狗频繁执 行复位操作的现象,严重影响仪表的正常使用。针对这种情况,我们通过引入多任务调度和RTOS对前述问题加以解决,基于自主研发的FDCX08实时多任务 操作系统,在FreescaleM68HC908AZ60单片机上设计并实现了一种新型的蒸汽流量表。除了流量积算功能,我们还加入了控制输出功能和对 CAN总线的支持,可以对生产过程进行反馈控制,并和CAN总线上其他节点进行通信,充分做到了一表多用。工程实践表明,这种设计方案较好地解决了仪器仪 表实时性和稳定性的问题

　　1　总体结构设计

　　该仪表主要由温度、压力传感器、流量传感器、反馈输出电路和二次仪表组成,支持CAN总线通信。系统的硬件结构图如图1所示。

　　作为通用型流量表,为了配合各种常见的传感器,我们为其设计了丰富的输入通道,包括1路频率输入, 8路开关量输入和6路A/D输入。其中A/D输入通道支持4-20mA, 0-10mA, 05V,热电阻Pt100,K、E分度热电偶以及半导体结等;频率通道输入范围从20Hz到200kHz,使用AZ60的时钟模块的输入捕捉功能计算输入 信号的周期,然后通过周期计算频率。输出部分设计了三种不同的输出通道: 1路可控硅输出, 2路标准模拟量输出, 8路开关量输出12位A/D输入和D /A输出采用现成芯片,通过SPI与MCU连接。考虑到仪表所处环境可能较为恶劣,为了避免现场强电的干扰, SPI和开关量输入输出均采用光电隔离技术,使MCU与现场信号之间完全隔离,提高抗干扰能力。核心MCU选用 FreescaleM68HC908AZ60。它是M68HC08系列高速8位微控制器的一种,内置MSCAN08控制器,支持CAN 2. 0 A/B规程;内部总线频率高达8. 4MHz;具有16位寻址模式, 16位变址寄存器和栈指针, 60KB闪速存储器(具有在线编程能力和保密功能), 1KB E2PROM, 2KB内部RAM,保证性能的同时降低了成本。