基于μc/OS-II的多傳感器測控系統研究

　　3 軟件設計

　　3.1 系統任務分配

　　為了充分發揮操作系統在任務調度、任務管理、任務通信、時間管理和內存管理等方面的優勢,首先必須根據需要實現的功能,合理的劃分任務和分配任務的優先級。按溫濕度測控系統所要求實現的功能,將整個系統劃分為并行存在的任務層和中斷程序。μC/OS-II嵌入式實時操作系統中的任務狀態轉換如圖2所示。

　　圖2 μC/OS-II任務狀態轉換示意圖

　　多任務系統在運行時每個任務好像獨立占用CPU一樣,因此系統必須為每個任務開辟一塊內存空間作為該任務的任務堆棧。該堆棧的作用是保存任務被切換前時CPU各寄存器的值以及系統堆棧的數據。在進行任務切換時需要完成工作的主要步驟如下：①將當前任務CPU所有的寄存器壓棧;②將CPU系統堆棧的數據全部拷貝到當前任務的任務堆棧中;③ 得到下一個處于運行態優先級最高的任務的任務堆棧的指針;④ 恢復下一個任務的CPU寄存器的值;⑤ 恢復下一個任務的系統堆棧中的數據;⑥ 通過中斷返回指令或函數返回指令,間接修改PC寄存器的值來進行任務切換。在為μC/OS-II編寫任務切換代碼時需要注意的是：μC/OS-II在每次發生中斷后都會產生任務調度,但在中斷結束后進行的任務切換,不能調用普通任務切換函數,這是因為在中斷過程中往往伴隨將CPU的狀態寄存器壓棧操作。

　　任務切換方法：凌陽SPACE061A單片機有R1-R5 五個通用寄存器,還有1個SR(CPU狀態寄存器),再加上PC,總共有7個CPU內部寄存器在任務切換時需要保存。μC/OS-II系統調用OSCtxSw( )來實現任務的切換。系統中并行存在的幾個任務按優先級從高到低依次是：系統監視任務、數據采集任務、數據處理任務、數據輸出任務、顯示任務。在實際系統中,每個任務都是無限循環的,分別實現某一特定的功能,由μC/OS-II內核來進行調度。系統監視任務主要完成系統可靠性的監管;數據采集任務主要完成溫度濕度氧濃度的檢測和A/D轉換;數據處理任務主要完成采集數據和設定數據的比較判定;數據輸出任務主要完成數據輸出給LCD、通過RS232傳輸給主機、以及輸出控制信號給繼電器電路,完成通風、加熱、加濕等功能;顯示任務主要完成溫度濕度氧濃度參數的顯示。系統主程序任務流程圖如圖3所示。

　　圖3 系統主程序任務流程圖

　　3.2 μc/OS-II的移植

　　μC/OS-II是一種專門為微控制器設計的搶占式實時多任務操作系統,它以源代碼的形式給出。其內核主要提供進程管理、時間管理、內存管理等服務。系統最多支持56個任務,每個任務均有一個獨有的優先級。由于其內核為搶先式,所以總是處于運行態最高優先級的任務占用CPU。系統提供了豐富的API函數,實現進程之間的通信以及進程狀態的轉化。

　　μC/OS-II的軟件體系結構如圖4所示。從圖4中可以看到,如果要使用μC/OS-II, 必須為其編寫OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM三個文件。這三個文件是與芯片的硬件特性有關的,它們主要提供任務切換與系統時鐘的功能。其它文件用C寫成,它們為系統提供任務管理、任務之間通信、時間管理以及內存管理等功能。

　　圖4 μC/OS-II 軟件體系結構示意圖

　　μC/OS-II系統時鐘：以凌陽SPCE061A單片機的TMB2時基信號作為系統時鐘,每經歷一個時鐘節拍的時間將產生一次中斷,在中斷服務子程序中會調用OSTickISR()函數。

　　移植工作的主要內容：用#define 設置一個常量值(OS_CPU.H);聲明10個數據類型(OS_CPU.H); 用#define 聲明3個宏(OS_CPU.H);用C語言編寫6個簡單的函數(OS_CPU_C.C);編寫4個匯編語言函數(OS_CPU_A.ASM)。

　　4 結論

　　μC/OS-II RTOS是當今嵌入式應用的熱點之一,應用RTOS提高了測控系統系統的可靠性、實時性,降低了研發周期。本文基于μC/OS-II構建的測控系統應用在漯河農業局2000萬公斤紅薯儲藏保鮮工程項目中,完全達到了設計的控制指標：溫度10-14℃±0.5℃ ,濕度80—95%RH±2%,氧濃度≮4.5%。降低了紅薯因為溫度濕度氧濃度不正常造成的變質,完好率100%,與不使用本系統的倉儲對比減少損耗25%,約500萬公斤,直接經濟效益500多萬元,同時也取得了較好的社會效益。另外,該系統具有較好的可擴展性,很容易擴展到其它對溫度、濕度或者氧濃度有一定要求的領域。經試驗,溫度測定范圍可以達到-20-85℃±0.5℃;濕度20—98%RH±2%;氧濃度≮1.5%。所以,該測控系統具有較廣的應用前景。

　　本文創新點：采用高性能SPCE061A單片機和高精度溫度傳感器、濕度傳感器和氧濃度傳感器，通過移植μC/OS-II多任務實時操作系統，構建了高精度、高可靠性的多傳感器嵌入式測控系統。實際工程應用表明，系統擴展性好、測控精度高、性能穩定。