基于Small RTOS51的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

引言
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光電效應(yīng)己廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防和許多科技領(lǐng)域。普朗克常數(shù)是自然界中一個(gè)很重要的普適常數(shù)，它可以用光電效應(yīng)法簡單而又較準(zhǔn)確地求出。所以，進(jìn)行光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)并通過實(shí)驗(yàn)求取普朗克常數(shù)有助于人們理解量子理論和更好地認(rèn)識(shí)這個(gè)普適常數(shù)。然而傳統(tǒng)手動(dòng)測量和數(shù)據(jù)處理方法采集的數(shù)據(jù)量非常有限，不但引入很大人為誤差，而且限制了各種數(shù)字信號(hào)處理方法的使用，從而引入系統(tǒng)誤差。同時(shí)，如果將主要精力放在如何準(zhǔn)確調(diào)整輸出電壓以及輸出電流等重復(fù)性勞動(dòng)上，則會(huì)忽視對(duì)實(shí)驗(yàn)本身的物理規(guī)律的研究。
用單片機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)采集和處理數(shù)據(jù)可以解決以上問題。但此時(shí)對(duì)于控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的可靠性、實(shí)時(shí)響應(yīng)等各個(gè)方面的性能都要有嚴(yán)格的要求。使用嵌入式操作系統(tǒng)，可以將具體應(yīng)用分解成多個(gè)任務(wù)，簡化應(yīng)用系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，使控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得到保證，使其達(dá)到理想狀態(tài)。另外，良好的多任務(wù)設(shè)計(jì)，還有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。本文將具體介紹基于嵌入式操作系統(tǒng)Small RTOS51的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
1、 系統(tǒng)功能及硬件描述
該系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作者的選擇，對(duì)各單色光逐個(gè)自動(dòng)采集光電流隨反向電壓變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算普朗克常數(shù),并在液晶顯示器上顯示出實(shí)驗(yàn)曲線和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于裝置采樣速度很快，軟硬件均采取了抗干擾措施，大大減小了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性。由于裝置根據(jù)一定的規(guī)則計(jì)算確定截止電壓，避免了人為因素造成的隨意性，改善了實(shí)驗(yàn)效果。該系統(tǒng)的研制開發(fā)主要目的是用于大學(xué)物理光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，除了具有一般光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置功能外，還有其它的特點(diǎn)和功能，具體如下：
① 輸出到光電管的電壓可以在-3v~1v范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，每隔0.001v連續(xù)輸出，同時(shí)在液晶顯示器上顯示出I-U曲線；
② 根據(jù)I-U曲線，用曲率法判斷出相應(yīng)截止電壓；
③ 如果已經(jīng)測出≥2種單色光截止電壓，則可根據(jù)選擇求普朗克常量，并顯示出主要計(jì)算步驟和結(jié)果；
④ 單色儀智能化，只要輸入波長，即可得到相應(yīng)單色光；
⑤ I-U曲線可保存到XRAM或傳到PC機(jī)中；
⑥ 增加測量輸入單色光波長功能。
該實(shí)驗(yàn)儀硬件框圖如圖1所示。

該裝置采用新華龍公司型號(hào)為C8051F005的快速單片機(jī)。該單片機(jī)集成了兩個(gè)12位逐次逼近型（SAR）ADC，可編程轉(zhuǎn)換速率，最大可達(dá)100kps；兩個(gè)具有16個(gè)可編程回差電壓值模擬比較器；片內(nèi)調(diào)試電路提供全速、非侵入式的JTAG在系統(tǒng)調(diào)試、高速8051微控制器內(nèi)核，70%指令的執(zhí)行時(shí)間為1個(gè)或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，時(shí)鐘周期可達(dá)25MIPS；256字節(jié)RAM，2K字節(jié)XRAM，32K字節(jié)flash程序存儲(chǔ)器；4個(gè)字節(jié)寬I/O口，4個(gè)通用定時(shí)器。該單片機(jī)以上資源在本系統(tǒng)中得到了充分利用。換而言之，選擇該單片機(jī)在滿足系統(tǒng)要求的前提下，大大節(jié)約了成本。
2、 操作系統(tǒng)在C8051F005上的移植

Small RTOS51是一款專門為51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(實(shí)際上應(yīng)該稱其為實(shí)時(shí)內(nèi)核)，大部分代碼用C語言編寫，易于移植，十分適合于資源緊張的51系列8位機(jī)。由于C8051F005單片機(jī)集成了很多資源，如2K外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，4個(gè)定時(shí)器等。可以對(duì)操作系統(tǒng)做必要的、合理的配置以達(dá)到性能最優(yōu)和資源的充分利用。