基于Small RTOS51的光電效應實驗系統(tǒng)

引言
隨著科學技術的發(fā)展，光電效應己廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防和許多科技領域。普朗克常數(shù)是自然界中一個很重要的普適常數(shù)，它可以用光電效應法簡單而又較準確地求出。所以，進行光電效應實驗并通過實驗求取普朗克常數(shù)有助于人們理解量子理論和更好地認識這個普適常數(shù)。然而傳統(tǒng)手動測量和數(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)字信號處理方法的使用，從而引入系統(tǒng)誤差。同時，如果將主要精力放在如何準確調(diào)整輸出電壓以及輸出電流等重復性勞動上，則會忽視對實驗本身的物理規(guī)律的研究。
用單片機控制系統(tǒng)自動采集和處理數(shù)據(jù)可以解決以上問題。但此時對于控制系統(tǒng)軟件設計的可靠性、實時響應等各個方面的性能都要有嚴格的要求。使用嵌入式操作系統(tǒng)，可以將具體應用分解成多個任務，簡化應用系統(tǒng)軟件的設計，使控制系統(tǒng)的實時性得到保證，使其達到理想狀態(tài)。另外，良好的多任務設計，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的光電效應實驗系統(tǒng)設計。
1、 系統(tǒng)功能及硬件描述
該系統(tǒng)可以根據(jù)實驗操作者的選擇，對各單色光逐個自動采集光電流隨反向電壓變化的實驗數(shù)據(jù)，計算普朗克常數(shù),并在液晶顯示器上顯示出實驗曲線和實驗結果。由于裝置采樣速度很快，軟硬件均采取了抗干擾措施，大大減小了實驗數(shù)據(jù)的離散性。由于裝置根據(jù)一定的規(guī)則計算確定截止電壓，避免了人為因素造成的隨意性，改善了實驗效果。該系統(tǒng)的研制開發(fā)主要目的是用于大學物理光電效應實驗中，除了具有一般光電效應實驗裝置功能外，還有其它的特點和功能，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，并顯示出主要計算步驟和結果；
④ 單色儀智能化，只要輸入波長，即可得到相應單色光；
⑤ I-U曲線可保存到XRAM或傳到PC機中；
⑥ 增加測量輸入單色光波長功能。
該實驗儀硬件框圖如圖1所示。

該裝置采用新華龍公司型號為C8051F005的快速單片機。該單片機集成了兩個12位逐次逼近型（SAR）ADC，可編程轉(zhuǎn)換速率，最大可達100kps；兩個具有16個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)行時間為1個或2個系統(tǒng)時鐘周期，時鐘周期可達25MIPS；256字節(jié)RAM，2K字節(jié)XRAM，32K字節(jié)flash程序存儲器；4個字節(jié)寬I/O口，4個通用定時器。該單片機以上資源在本系統(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系列單片機設計的實時操作系統(tǒng)(實際上應該稱其為實時內(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。由于C8051F005單片機集成了很多資源，如2K外部數(shù)據(jù)存儲器，4個定時器等。可以對操作系統(tǒng)做必要的、合理的配置以達到性能最優(yōu)和資源的充分利用。