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)法簡單而又較準確地求出。所以，進行光電效應(yīng)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(fù)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(shè)計的可靠性、實時響應(yīng)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(yīng)用分解成多個任務(wù)，簡化應(yīng)用系統(tǒng)軟件的設(shè)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(wù)設(shè)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(yīng)實驗系統(tǒng)設(shè)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(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(xué)物理光電效應(yīng)實驗中，除了具有一般光電效應(yīng)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(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。
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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(shè)計的實時操作系統(tǒng)(實際上應(yīng)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?？梢詫Σ僮飨到y(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。
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(wù)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(wù)是聲明任務(wù)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(wù)數(shù)及任務(wù)名配置。
3、 軟件任務(wù)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(wù)來完成。按照任務(wù)優(yōu)先級的高低排序，各任務(wù)依次為：液晶顯示任務(wù)、測量與數(shù)字信號處理任務(wù)、單色儀控制任務(wù)、數(shù)據(jù)通訊任務(wù)和鍵盤響應(yīng)及處理任務(wù)。
3.1 液晶顯示任務(wù)
液晶顯示任務(wù)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(wù)中的消息隊列傳遞。另外，該任務(wù)還承擔著部分任務(wù)調(diào)配的作用，當選中某功能選項時必須啟動相應(yīng)任務(wù)。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(wù)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(wù)，主要顯示該儀器當前正在執(zhí)行的任務(wù)和引導(dǎo)操作者下一步如何操作，另外在操作錯誤時，也會給出相應(yīng)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(wù)。
3.2 測量與數(shù)字信號處理任務(wù)
測量與數(shù)字信號處理任務(wù)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(wù)。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(wù)
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(yīng)的衍射角 。此任務(wù)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(wù)
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(wù)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(wù)還原顯示，而傳到PC機上的數(shù)據(jù)需要配合相應(yīng)的軟件還原顯示。
3.5 鍵盤響應(yīng)及處理任務(wù)
按鍵任務(wù)主要起到輸入控制和任務(wù)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(wù)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(wù)等待按鍵。若有，則將按鍵任務(wù)處于休眠狀態(tài)，同時激活等待任務(wù)。
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。
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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(yīng)任務(wù),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(yīng)的任務(wù)，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(yīng)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(yīng)用于大學(xué)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(yīng)用。