張 亮，程明霄，朱增偉，孔德鴻

(南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，江蘇南京 211816)

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基于STM32和μC/OS-Ⅱ的智能在線分析平臺(tái)的研究

張 亮，程明霄，朱增偉，孔德鴻

(南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，江蘇南京 211816)

設(shè)計(jì)了以集成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理為一體的STM32模塊為核心的智能在線分析儀，并在軟件設(shè)計(jì)中植入了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II。文中重點(diǎn)介紹了分析平臺(tái)硬件模塊的設(shè)計(jì)及其工作原理，以及對(duì)STM32進(jìn)行μC/OS-II系統(tǒng)裁剪與移植，μC/OS-II下在線分析平臺(tái)圖形用戶界面的設(shè)計(jì)。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，利用CO進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。測(cè)試結(jié)果表明：該分析平臺(tái)準(zhǔn)確性高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣體組分的實(shí)時(shí)分析與測(cè)定。

STM32；μC/OS-II；在線分析平臺(tái)；系統(tǒng)裁剪與移植

0 引言

在線分析系統(tǒng)主要應(yīng)用于流程工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、國(guó)防、軍工以及其他科學(xué)領(lǐng)域的連續(xù)在線成分分析，專業(yè)性強(qiáng)，技術(shù)難度大[1]。為全社會(huì)的安全節(jié)能、質(zhì)量控制、環(huán)保檢測(cè)、控源減排等提供了重要的保障，并且已廣泛應(yīng)用于化工、石油、冶金、電站等生產(chǎn)系統(tǒng)中的生產(chǎn)管理和生產(chǎn)控制，逐漸成為不可缺少的分析和控制工具。因此隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，使用性能更加高效并且成本較低的處理器以及更加先進(jìn)的軟件開發(fā)技術(shù)已經(jīng)成為新一代智能化在線分析儀器發(fā)展的趨勢(shì)。

文中研究的基于STM32的以μC/OS-II為操作系統(tǒng)的智能在線分析儀采用光源驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字信號(hào)送到STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對(duì)所選用的STM32F103芯片進(jìn)行μC/OS-II的裁剪與移植，能夠?qū)崿F(xiàn)氣體的連續(xù)自動(dòng)分析，同時(shí)，μC/OS-II以其開源性、可移植性、多任務(wù)性等優(yōu)點(diǎn)為后續(xù)系統(tǒng)功能的擴(kuò)展奠定了基礎(chǔ)。

1 在線分析平臺(tái)硬件組成

在線分析系統(tǒng)包括光學(xué)部分和兩路傳感器信號(hào)調(diào)理電路以及STM32微控制器控制電路部分。STM32微控制器控制電路部分硬件結(jié)構(gòu)[2]如圖1所示。該系統(tǒng)主要功能是紅外發(fā)光光源在驅(qū)動(dòng)電路以及PWM調(diào)制信號(hào)的作用下，發(fā)出周期性的紅外光投射到兩個(gè)組分的測(cè)量氣室以及接收氣室內(nèi)，待測(cè)氣體通過(guò)外接有抽氣泵的預(yù)處理系統(tǒng)連續(xù)通入到兩個(gè)分析回路的測(cè)量氣室，測(cè)量氣室兩側(cè)分別是紅外光源和接收氣室，光源中心與兩氣室的中心軸線在一條水平線上，以保證光源發(fā)出的光平行的穿過(guò)測(cè)量氣室。接收氣室被設(shè)計(jì)成串聯(lián)型的雙層結(jié)構(gòu)，兩層接收氣室通過(guò)微流量傳感器連接在一起，微流量傳感器將氣體濃度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大整流濾波等環(huán)節(jié)之后送入STM32F103VE微處理器進(jìn)行后續(xù)的處理，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)數(shù)字濾波處理后的氣體濃度信息最終可送入TFT液晶顯示器顯示。

圖1 基于STM32的智能在線分析平臺(tái)的硬件框圖

1．1 微處理器STM32F103

該在線分析平臺(tái)以STM32F103VE作為數(shù)據(jù)處理的控制核心，該芯片采用了集高性能、低功耗、高性價(jià)比于一體的業(yè)界領(lǐng)先的Cortex-M3內(nèi)核，并與大部分ARM開發(fā)工具和開發(fā)環(huán)境兼容。集成度高，省去了很多外圍電路的設(shè)計(jì)，節(jié)約了開發(fā)成本，并且具有豐富而又性能出眾的片上外設(shè)資源。STM32的優(yōu)勢(shì)來(lái)源于雙APB總線結(jié)構(gòu)，內(nèi)置兩個(gè)12位的A/D轉(zhuǎn)換器，2個(gè)DMA可以管理內(nèi)存到內(nèi)存、外設(shè)到內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸[3]。多達(dá)2個(gè)SPI接口，在主或從模式下，全雙工或半雙工時(shí)的通信速率可達(dá)18Mb/s，2個(gè)USART接口。內(nèi)置FSMC接口可以與同步或者異步存儲(chǔ)器和16位的存儲(chǔ)卡直接連接。

1．2 STM32電源電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的電源電路對(duì)于在線分析系統(tǒng)的正常運(yùn)行具有極其重要的作用，其中作為系統(tǒng)核心的STM32處理器的供電電路(如圖2所示)就變得尤為重要。STM32F103VE芯片的工作電壓，即VDD為2.0～3.6 V，這里選擇典型值3.3 V作為芯片的工作電壓。通過(guò)芯片內(nèi)部的電壓調(diào)節(jié)器提供內(nèi)核所需的1.8 V電源。

若發(fā)生主電源VDD掉電，那么可以通過(guò)VBAT腳上連接的電池為實(shí)時(shí)時(shí)鐘和備份寄存器供電。該設(shè)計(jì)使用LM1117為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的3.3 V電源，LM1117-3．3是低壓差電壓調(diào)節(jié)器，在輸入輸出端都接入了47 μF的電解電容以改善電路的瞬態(tài)響應(yīng)以獲得穩(wěn)定的電源電壓。當(dāng)系統(tǒng)供電后，指示燈被點(diǎn)亮，提示系統(tǒng)處于供電狀態(tài)。

圖2 電源電路原理圖

1．3 A/D采樣模塊設(shè)計(jì)

由于ADC轉(zhuǎn)換的輸出結(jié)果是模擬輸入信號(hào)的電壓和外接參考電壓之間的比例關(guān)系，模擬電源引腳用于為轉(zhuǎn)換提供參考電壓，因此任何模擬參考電源上的噪聲都會(huì)使轉(zhuǎn)換結(jié)果產(chǎn)生變化，電源穩(wěn)壓對(duì)于ADC的精度是非常重要的。設(shè)計(jì)采用了ADC1的通道10和通道11所對(duì)應(yīng)的PC0和PC1作為模擬信號(hào)的輸入端。出于對(duì)電壓穩(wěn)定性的考慮，提高模擬系統(tǒng)的抗噪性，模擬部分應(yīng)該與數(shù)字部分分開供電，在電路上L5、L6、C16、C19作為模擬電路部分，用于隔離來(lái)自數(shù)字電路部分的噪聲。STM32F103的ADC的輸出為12位數(shù)字量，由于輸入的滿刻度電壓為3.3V，因此ADC能分辨出來(lái)的輸入電壓變化的最小值為3.3V/212=0.806 mV，完全滿足了系統(tǒng)對(duì)分辨率的要求。AD采樣電路如圖3所示。

圖3 AD采樣模塊接口電路

1．4 光源調(diào)制PWM

光源的調(diào)制主要用到了STM32F103的PWM功能，利用定時(shí)器3的通道3 對(duì)應(yīng)GPIO的PB0端口產(chǎn)生頻率為8 Hz占空比為50%的PWM信號(hào)。STM32F103的通用定時(shí)器TIM2、TIM3、TIM4和TIM5都可以產(chǎn)生需要的PWM信號(hào)。定時(shí)器的時(shí)鐘源為TIMCLK可以經(jīng)系統(tǒng)時(shí)鐘分頻得到。

PWM信號(hào)的占空比計(jì)算公式為CCR1_Val/(TIM_Period +1)，因此程序中將占空比的數(shù)值CCR1_Val賦給與PWM相關(guān)的結(jié)構(gòu)體TIM_OCInitStructure中的變量TIM_Pulse即可。然后還需要設(shè)置TIM_OCMode為PWM1模式，TIM_OCPolarity 為高，即當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)值小于CCR1_Val時(shí)為高電平。最后調(diào)用TIM_TimeBaseInit()和TIM_OC1Init()進(jìn)行初始化即可。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)軟件系統(tǒng)的開發(fā)是由C語(yǔ)言來(lái)完成的，配合J-Link仿真器可以在線調(diào)試各個(gè)程序模塊的功能。系統(tǒng)軟件架構(gòu)主要由用戶應(yīng)用程序、圖形用戶接口、μC/OS-II操作系統(tǒng)內(nèi)核、BSP底層硬件模塊驅(qū)動(dòng)程序和相應(yīng)的STM32外設(shè)庫(kù)文件組成。軟件設(shè)計(jì)中以嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II作為系統(tǒng)核心[3-4]，在底層硬件驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序之間實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源分配以及任務(wù)之間的調(diào)度與通信等。

系統(tǒng)主函數(shù)流程圖如圖4所示，程序運(yùn)行時(shí)首先調(diào)用μC/OS-II的初始化函數(shù)OSInit()完成操作系統(tǒng)初始化相關(guān)的操作，包括對(duì)系統(tǒng)所使用的各種全局變量和重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如任務(wù)控制塊及其鏈表、全局變量等重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始化操作，并創(chuàng)建了空閑任務(wù)和統(tǒng)計(jì)任務(wù)，完成μC/OS-II運(yùn)行前的準(zhǔn)備工作。之后主函數(shù)調(diào)用BSP_Init()函數(shù)完成系統(tǒng)硬件模塊的初始化操作，主要有系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、中斷配置、GPIO端口配置、TFT的FSMC接口初始化以及AD轉(zhuǎn)換配置初始化等，此時(shí)系統(tǒng)各個(gè)硬件模塊已準(zhǔn)備完成，主函數(shù)調(diào)用μC/OS-II的任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)OSTaskCreate()創(chuàng)建系統(tǒng)主任務(wù)，也即起始任務(wù)，因?yàn)棣藽/OS-II在啟動(dòng)多任務(wù)管理之前，必須得先創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)。主任務(wù)是操作系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)運(yùn)行的第一個(gè)任務(wù)，具有最高優(yōu)先級(jí)，主任務(wù)的主要功能一是在任務(wù)函數(shù)代碼中調(diào)用App_TaskCreate()函數(shù)創(chuàng)建本系統(tǒng)所需的其他任務(wù)，二是調(diào)用OS_CPU_SysTickInit()函數(shù)完成操作系統(tǒng)μC/OS-II時(shí)鐘節(jié)拍的初始化。以上工作完成之后即可調(diào)用系統(tǒng)服務(wù)函數(shù)OSStart()來(lái)啟動(dòng)μC/OS-II內(nèi)核，開始多任務(wù)的調(diào)度。

圖4 主函數(shù)流程圖

2．1 處理器相關(guān)的C語(yǔ)言函數(shù)OS_CPU_C．C

用戶在進(jìn)行代碼移植時(shí)需要在OS_CPU_C．C文件中修改10個(gè)C語(yǔ)言函數(shù)，其中堆棧初始化函數(shù)OSTaskStkInit()為必改函數(shù)，其余9個(gè)為功能擴(kuò)展的鉤子函數(shù)可以不必修改。用戶調(diào)用OSTastCreat()或OSTaskCreatExt()函數(shù)創(chuàng)建任務(wù)時(shí)，在這兩個(gè)函數(shù)中調(diào)用了OSTaskStkInit()函數(shù)，主要完成任務(wù)棧區(qū)的初始化工作，在用戶開辟的任務(wù)棧中保存處理器寄存器的內(nèi)容，任務(wù)堆棧初始化之后各個(gè)寄存器的初始值如圖5所示。函數(shù)OSTaskStkInit()的代碼如下：

OS_STK *OSTaskStkInit (void (*task)(void *p_arg)，void *p_arg，OS_STK *ptos，INT16U opt)

{

保存任務(wù)參數(shù)p_arg；

在用戶開辟的任務(wù)堆棧的開始位置保存堆棧長(zhǎng)度；

任務(wù)函數(shù)代碼的首地址入棧；

各個(gè)寄存器的值依次入棧

return(stk) ；//返回堆棧棧頂?shù)闹羔樄┯脩粽{(diào)用

}

圖5 OSTaskStkInit()函數(shù)任務(wù)堆棧初始化示意圖

2．2 μC/OS-II圖形用戶界面設(shè)計(jì)

在線分析平臺(tái)的數(shù)據(jù)顯示界面采用μC/GUI圖形用戶接口來(lái)設(shè)計(jì)，顯示界面主要在函數(shù)Fun．c中實(shí)現(xiàn)，在μC/OS-II的數(shù)據(jù)顯示任務(wù)中只需要調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)即可。采用μC/GUI設(shè)計(jì)顯示界面首先需要定義對(duì)話框的資源，以指定包含在對(duì)話框中所有控件，也就是在顯示界面上需要用到的一些控件等。

首先對(duì)話框資源的定義是在一個(gè)GUI_WIDGET_CREATE_INFO類型的數(shù)組中進(jìn)行的，主要實(shí)現(xiàn)代碼如下所示：

static const GUI_WIDGET_CREATE_INFO aDialogCreate[]= {//建立窗體，大小是400*240 原點(diǎn)在0，0

{FRAMEWIN_CreateIndirect，"在線分析平臺(tái)的研究與設(shè)計(jì)"，0，0，0，400，240，F(xiàn)RAMEWIN_CF_ACTIVE }，

{BUTTON_CreateIndirect，"測(cè)量"，GUI_ID_BUTTON2，0，174，80，40 }，

……

{ BUTTON_CreateIndirect，"返回"，GUI_ID_BUTTON4，320，174，80，40}，//建立TEXT控件，起點(diǎn)是窗體的2，60，大小130X55 文字右對(duì)齊

{ TEXT_CreateIndirect，"CO："，GUI_ID_TEXT0，2，40，130，55，TEXT_CF_RIGHT},

……

{ TEXT_CreateIndirect，"CH4："，GUI_ID_TEXT2，2，100，130，55，TEXT_CF_RIGHT}，

{ TEXT_CreateIndirect，"ppm"，GUI_ID_TEXT3，198，100，95，35，TEXT_CF_RIGHT }，

}；

其次，在定義好對(duì)話框資源之后，可以使用函數(shù)GUI_CreateDialogBox()來(lái)建立包含了所需資源的對(duì)話框。

hWin=GUI_CreateDialogBox(aDialogCreate，GUI_COUNTOF(aDialogCreate)，0，0，0，0)；該函數(shù)第一個(gè)參數(shù)就是包含資源列表的指針，即數(shù)組名，第二個(gè)參數(shù)對(duì)話框中所有控件的數(shù)量。液晶顯示效果如圖6所示。

圖6 液晶顯示效果圖

3 結(jié)果分析

檢測(cè)對(duì)象CO的測(cè)量范圍為0～14%，分別配置了體積分?jǐn)?shù)為1.20%，3.35%，7.56%，9.00%，12.30%，13.85%的一氧化碳?xì)怏w，依次通入測(cè)量氣室中進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定。試驗(yàn)中首先通入空氣，由于空氣中一氧化碳的濃度約為50～200 ppb，二氧化碳的濃度為0.038%，甲烷的濃度約為1.76 ppm，濃度值都相對(duì)很小可以忽略不計(jì)，因此當(dāng)通入空氣時(shí)光源發(fā)出的紅外光在測(cè)量氣室內(nèi)沒(méi)有被吸收，此時(shí)傳感器的輸出信號(hào)應(yīng)該達(dá)到最大，系統(tǒng)輸出的值就是零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換數(shù)為4095。然后通入13.85%的CO氣體，調(diào)節(jié)調(diào)零電路使得AD轉(zhuǎn)換輸出接近為0。之后依次通入標(biāo)準(zhǔn)氣體，獲得相應(yīng)的電壓值，并且每個(gè)值都讀取個(gè)并求10得平均值記錄如表1所示。

利用Matlab最小二乘法對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合得到曲線如圖7所示。

曲線方程為：

y=-262.1x+3131

(1)

式中：變量y為氣體的濃度所對(duì)應(yīng)的電壓值，mV；x為氣體濃度，vol%．

表1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) V

圖7 實(shí)測(cè)氣體的濃度和電壓值的關(guān)系曲線

由線性相關(guān)系數(shù)公式：

(2)

根據(jù)式(2)以及表1中的數(shù)據(jù)在Matlab計(jì)算得到R=0.95，線性相關(guān)度較高，效果較為理想，該計(jì)算方法可以用于氣體濃度的轉(zhuǎn)換計(jì)算。

根據(jù)獲得的擬合曲線關(guān)系式進(jìn)行反演試驗(yàn)分析檢測(cè)精度，

依次通入標(biāo)準(zhǔn)濃度的待測(cè)氣體，實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 精度分析數(shù)據(jù) % vol

精度值=(測(cè)量值-標(biāo)準(zhǔn)值)/標(biāo)準(zhǔn)值

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)可以得到4個(gè)精度值分別為1.67%、1.8%、1.06%、1.7%，取最大值為1.8%，符合系統(tǒng)測(cè)試要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于STM32和μC/OS-II的智能在線分析儀采用光源調(diào)制PWM、A/D采樣電路和植入了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II的高性能STM32F107微控制器，完成了對(duì)于氣體組分的自動(dòng)在線測(cè)量要求。針對(duì)系統(tǒng)需求進(jìn)行了相關(guān)的任務(wù)設(shè)計(jì)，顯示界面加入了μC/GUI圖形用戶接口。μC/OS-II以其程序執(zhí)行效率高、實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)很好滿足了工業(yè)過(guò)程分析儀的迫切需要。

[1] 高喜奎，程明霄．在線分析系統(tǒng)工程技術(shù)．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013．

[2] 朱升每，程明霄．基于80C196KC單片機(jī)的分析儀器的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)．分析儀器，2004(2)：17-20．

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[5] 盧友亮．嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ原理與實(shí)踐．北京：電子工業(yè)出版社，2012．

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Research of Intelligent Online Analysis PlatformBased on STM32 and μC/OS-II

ZHANG liang1，CHENG Ming-xiao1，ZHU Zeng-wei2，KONG De-hong2

(College of Automation and Electrical Engineering，Nanjing 211816，China)

Based on STM32 module as the core and integrated of data acquisition and data processing as a whole,an intelligent on-line analyzer was designed.In the design of the software,the embedded real-time operating system μC/OS-II was implanted.This paper mainly introduced the design and working principle of analysis platform hardware module,cutting and transplantation μC/OS-II system on STM32,and the design of graphical user interface for online analysis platform under μC/OS-II.Experiments of CO under laboratory environment were conducted and the experimental results were analyzed.The experimental results show that the analyzer has high accuracy,good stability and fast response speed,thus achieving real-time analysis and determination of gas components.

STM32;μC/OS-II; online analysis platform; system cutting and transplantation

2014-01-10 收修改稿日期：2014-11-07

TP216

A

1002-1841(2015)01-0044-04

張亮(1991—)，碩士研究生，研究方向?yàn)榉治鰞x器。 E-mail：bennyzl@163．com