基于Small RTOS51的光電效應實驗系統(tǒng)
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Small RTOS51的移植主要是配置OS_CPU.H、OS_CFG.H和CONFIG.H三個文件。OS_CFG.H文件主要用于對操作系統(tǒng)的裁減和時鐘等的相關(guān)配置。根據(jù)實際需要，可以將以EN_OS_SEM打頭的相關(guān)參數(shù)全部設(shè)為0，禁止對信號量的一切操作。同樣道理可以將EN_OS_Q、EN_OS_Q_PENT和EN_OS_Q_POST以外的以EN_OS_Q打頭的消息隊列使能參數(shù)設(shè)為0。C8051F005具有2K外部數(shù)據(jù)存儲器，根據(jù)盡量節(jié)約內(nèi)存的原則，將不常用的參數(shù)定義為xdata類型，所以消息隊列存儲空間選擇外部數(shù)據(jù)存儲器。時鐘周期選擇選擇內(nèi)部2M時鐘，經(jīng)過8倍頻后可達16M，所以定義N_SYS為3。最后禁止系統(tǒng)定時中斷調(diào)用用戶函數(shù)UserTickTimer()，允許中斷嵌套管理，允許定時器中斷調(diào)用OSTimeTick()，定義進入1次硬件中斷為一次系統(tǒng)定時器軟中斷和定義任務數(shù)為4。
在配置OS_CPU.H文件時，只需注意改定時器使用的中斷為1即可，其它參數(shù)都可使用默認值。而CONFIG.H主要任務是聲明任務和將操作系統(tǒng)中所有的頭文件集中起來，需要根據(jù)實際任務數(shù)及任務名配置。
3、 軟件任務的劃分及具體實現(xiàn)
根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)及所要求實現(xiàn)的功能，將軟件系統(tǒng)劃分為5個任務來完成。按照任務優(yōu)先級的高低排序，各任務依次為：液晶顯示任務、測量與數(shù)字信號處理任務、單色儀控制任務、數(shù)據(jù)通訊任務和鍵盤響應及處理任務。
3.1 液晶顯示任務
液晶顯示任務主要顯示功能菜單、數(shù)據(jù)表格、狀態(tài)欄、I-U曲線和計算步驟及結(jié)果。功能菜單顯示數(shù)據(jù)由按鍵任務中的消息隊列傳遞。另外，該任務還承擔著部分任務調(diào)配的作用，當選中某功能選項時必須啟動相應任務。數(shù)據(jù)表格顯示數(shù)據(jù)由測量與數(shù)字信號處理任務中的消息隊列傳遞，主要顯示各種單色光顏色、波長和測量出來的截止電壓。狀態(tài)欄顯示內(nèi)容來源于各個任務，主要顯示該儀器當前正在執(zhí)行的任務和引導操作者下一步如何操作，另外在操作錯誤時，也會給出相應的提示。I-U曲線和計算步驟及結(jié)果顯示數(shù)據(jù)都來源于測量與數(shù)字信號處理任務。
3.2 測量與數(shù)字信號處理任務
測量與數(shù)字信號處理任務是本系統(tǒng)的核心部分，它承擔著反向電壓輸出控制，光電流信號數(shù)據(jù)采集，數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)計算等任務。其中反向電壓輸出和光電流信號數(shù)據(jù)采集分別由C8051F0005中集成的DA和AD轉(zhuǎn)換器完成。為了盡量提高精確度，本系統(tǒng)分別采用了平均值法、中值法和慣性法對采集到的數(shù)字信號進行三次數(shù)字濾波。經(jīng)過有效的濾波后，可以得到一條光滑的I-U曲線，再用曲率法判斷出該條曲線的截止電壓。當確定已經(jīng)測出兩種以上單色光的截止電壓后就可以用最小二乘法計算出普朗克常數(shù)。當然反過來，也可以通過普朗克常數(shù)計算輸入單色光波長。
3.3 單色儀控制任務
根據(jù)光柵方程 ，可以求出衍射角與單色光波長之間的關(guān)系，通過查表就可以得到與輸入波長 相對應的衍射角 。此任務就是要通過控制步進電機的轉(zhuǎn)動，帶動光柵轉(zhuǎn)動 ，從而得到波長為單色光。
3.4 數(shù)據(jù)通訊任務
本系統(tǒng)具有將所測得的光電流隨方向電壓變化的曲線存儲于外部數(shù)據(jù)存儲器XRAM中，或通過串口傳送到PC機上。該任務主要完成這項工作。存儲到XRAM中的數(shù)據(jù)通過液晶顯示任務還原顯示，而傳到PC機上的數(shù)據(jù)需要配合相應的軟件還原顯示。
3.5 鍵盤響應及處理任務
按鍵任務主要起到輸入控制和任務選擇作用。首先要建立消息隊列KeyBuff[]，用于緩沖按鍵鍵值和與其它任務進行通訊，然后進入無限循環(huán)。在無限循環(huán)中逐個掃描按鍵，當發(fā)現(xiàn)有按鍵按下，調(diào)用Small RTOS51提供的系統(tǒng)函數(shù)OSQPost(KeyBuff,Value_Key)將按鍵鍵值放在消息隊列中，并查找有無其它任務等待按鍵。若有，則將按鍵任務處于休眠狀態(tài)，同時激活等待任務。
4、 實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析
啟動“測UC”后，本系統(tǒng)會根據(jù)操作者的選擇逐個測量輸入單色光的I-U曲線，并判斷截止電壓。測得的汞燈光源中個各單色光截止電壓如表1所示。
本文引用地址：http://cafeforensic.com/article/173839.htm當啟動“測 ”功能后，液晶顯示器顯示出以上數(shù)據(jù)及用最小二乘法計算的普朗克出常數(shù) 為6.703×10-34JS，并給出主要的計算過程。該值與公認值6.626×10-34JS比較，相對誤差為1.16%，在允許誤差內(nèi)，與公認值符合地很好。
5、 結(jié)論
以嵌入式操作系統(tǒng)Small RTOS51為軟件平臺，開發(fā)設(shè)計各相應任務,大大簡化了程序設(shè)計的難度，增強了系統(tǒng)的可靠性和安全性，滿足系統(tǒng)實時性要求。同時在維護和升級時，只要修改或增加相應的任務，不需涉及其它部分，降低了難度和成本。
本文作者創(chuàng)新點：①使用實時嵌入式操作系統(tǒng)實現(xiàn)光電效應實驗系統(tǒng)的智能化，避免了人為誤差，有效地減小了系統(tǒng)誤差；②將先進的微電子技術(shù)、智能控制理論和數(shù)字信號處理知識應用于大學物理實驗中，在確保不改變物理實驗基本原理，滿足物理實驗基本要求的前提下，顯著提高物理實驗的整體質(zhì)量。同時，也很容易轉(zhuǎn)移到其它實驗或工程領(lǐng)域應用。
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