基于實時操作系統(tǒng)μc/OS-II與SPCE061的嵌入式多傳感器測控系統(tǒng)

1 引言

隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，原來單一傳感器的嵌入式系統(tǒng)逐漸向嵌入式多傳感器系統(tǒng)發(fā)展。由此提出了多傳感器任務(wù)調(diào)度分配的問題。本文移植典型的實時嵌入式操作系統(tǒng)μc/OS-II到SPCE061高性能處理器平臺，結(jié)合工程項目對于溫度濕度氧濃度的要求，構(gòu)建了實時嵌入式多傳感器測控系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路原理框圖如圖1所示，主要由SPCE061A單片機(jī)、溫濕度傳感器、氧濃度度傳感器、LCD顯示電路、鍵盤電路、RS232通信電路、時鐘電路等組成。SPCE061A是一款基于μ'nSP內(nèi)核的16位單片機(jī)。

圖1系統(tǒng)硬件電路原理框圖

2.2 傳感器電路設(shè)計

溫度檢測電路選用Dalls公司生產(chǎn)的三線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20。該器件只有3個引腳，不需要外部元件，一條數(shù)據(jù)線進(jìn)行通信。該電路的檢測溫度范圍設(shè)計為0~+50℃；精度為0.5℃；用9bit數(shù)字量來表示溫度；每次將溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量需200ms。在單總線工作方式下，允許一條信號線上掛接多個DS18B20,DS18B20都有唯一的ROM代碼。在多點溫度測控系統(tǒng)中，ROM代碼是識別和操作DS18B20的基礎(chǔ)；無論讀取還是選擇對某一個傳感器進(jìn)行操作，SPCE061A必須發(fā)送64位ROM代碼。

本系統(tǒng)用3塊DS18B20來實現(xiàn)對環(huán)境溫度的檢測，保證在被測環(huán)境范圍內(nèi)，溫度分布均勻，測量更加準(zhǔn)確，使用時將DS18B20放置在被測環(huán)境的不同位置。獲得溫度信息時，先由SPCE061A的IOB15腳發(fā)送一個1ms的復(fù)位脈沖，以使DS18B20復(fù)位后將向SPCE061A 發(fā)送一個回應(yīng)脈沖，SPCE061A接到回應(yīng)脈沖后將發(fā)送讀DS18B20序列號的讀ROM命令，以分別讀取三個DS18B20的序列號；然后，SPCE061A再發(fā)出定位命令以選擇在線的DS1820并進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換完成后，SPCE061A的IOB15腳會發(fā)送DS1820的存儲命令，從而完成溫度信息數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和讀取。

2路氧濃度檢測選用 DW-02型氧濃度傳感器，主要特點是體積小、響應(yīng)快、線性好、溫漂小等特點，穩(wěn)定。主要技術(shù)指標(biāo)： 響應(yīng)時間≤30秒（滿量程的90%） ；測量范圍0～50% O2 ；溫度系數(shù)＞0.003% O2/℃ ；線性誤差+0.2%～-0.1% O2 ；使用溫度范圍-20℃～+50℃ ；輸出電流1.1mA+15% 。 本系統(tǒng)測定的含氧量不得低于4.5%。

由于是冬季，當(dāng)儲藏室環(huán)境溫度高于14℃或濕度大于95%RH、或氧濃度低于4.5%設(shè)定值時，不能直接將冷空氣送入儲藏室，必須將室外空氣加熱到12℃送入，否則，會造成紅薯受冷變質(zhì)。三個參數(shù)中，最主要的是溫度值，然后是濕度。繼電器電路的工作情況如表1所示。

表1 繼電器控制電路工作情況

2.3 鍵盤、顯示電路及通信接口設(shè)計

系統(tǒng)鍵盤電路由3根線連接至SPCE061A的IOA0~IOA2組成，它們分別是功能鍵，增加鍵，減少鍵，用來實現(xiàn)溫、濕度氧濃度的上、下限及控制時間的設(shè)置功能。測控儀采用HT1621驅(qū)動128段LCD顯示器，用于顯示現(xiàn)場的溫、濕度值、O2濃度以及故障和報警狀態(tài)。HT1621是一個128（32×4）段、內(nèi)存映射、多功能、I2C接口的LCD驅(qū)動器。

3 軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)任務(wù)分配

為了充分發(fā)揮操作系統(tǒng)在任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、任務(wù)通信、時間管理和內(nèi)存管理等方面的優(yōu)勢，首先必須根據(jù)需要實現(xiàn)的功能，合理的劃分任務(wù)和分配任務(wù)的優(yōu)先級。按溫濕度測控系統(tǒng)所要求實現(xiàn)的功能，將整個系統(tǒng)劃分為并行存在的任務(wù)層和中斷程序。μC/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)中的任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖2所示。

圖2 μC/OS-II任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖

多任務(wù)系統(tǒng)在運(yùn)行時每個任務(wù)好像獨立占用CPU一樣，因此系統(tǒng)必須為每個任務(wù)開辟一塊內(nèi)存空間作為該任務(wù)的任務(wù)堆棧。該堆棧的作用是保存任務(wù)被切換前時CPU各寄存器的值以及系統(tǒng)堆棧的數(shù)據(jù)。進(jìn)行任務(wù)切換的步驟如下：①將當(dāng)前任務(wù)CPU所有的寄存器壓棧；②將CPU系統(tǒng)堆棧的數(shù)據(jù)全部拷貝到當(dāng)前任務(wù)的任務(wù)堆棧中；③ 得到下一個處于運(yùn)行態(tài)優(yōu)先級最高的任務(wù)的任務(wù)堆棧的指針；④ 恢復(fù)下一個任務(wù)的CPU寄存器的值；⑤ 恢復(fù)下一個任務(wù)的系統(tǒng)堆棧中的數(shù)據(jù)；⑥ 通過中斷返回指令或函數(shù)返回指令，間接修改PC寄存器的值來進(jìn)行任務(wù)切換。

任務(wù)切換方法：凌陽SPACE061A單片機(jī)有R1-R5 五個通用寄存器，還有1個SR（CPU狀態(tài)寄存器），再加上PC,總共有7個CPU內(nèi)部寄存器在任務(wù)切換時需要保存。μC/OS-II系統(tǒng)調(diào)用OSCtxSw（ ）來實現(xiàn)任務(wù)的切換。在實際系統(tǒng)中，每個任務(wù)都是無限循環(huán)的，分別實現(xiàn)某一特定的功能，由μC/OS-II內(nèi)核來進(jìn)行調(diào)度。系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)主要完成系統(tǒng)可靠性的監(jiān)管；數(shù)據(jù)采集任務(wù)主要完成溫度濕度氧濃度的檢測和A/D轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)處理任務(wù)主要完成采集數(shù)據(jù)和設(shè)定數(shù)據(jù)的比較判定；數(shù)據(jù)輸出任務(wù)主要完成數(shù)據(jù)輸出給LCD、通過RS232傳輸給主機(jī)、以及輸出控制信號給繼電器電路，完成通風(fēng)、加熱、加濕等功能；顯示任務(wù)主要完成溫度濕度氧濃度參數(shù)的顯示。系統(tǒng)主程序任務(wù)流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主程序任務(wù)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(shè)計的搶占式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，它以源代碼的形式給出。其內(nèi)核主要提供進(jìn)程管理、時間管理、內(nèi)存管理等服務(wù)。系統(tǒng)最多支持56個任務(wù)，每個任務(wù)均有一個獨有的優(yōu)先級。

μC/OS-II的軟件體系結(jié)構(gòu)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(guān)的，它們主要提供任務(wù)切換與系統(tǒng)時鐘的功能。其它文件用C寫成，它們?yōu)橄到y(tǒng)提供任務(wù)管理、任務(wù)之間通信、時間管理以及內(nèi)存管理等功能。

圖4 μC/OS-II 軟件體系結(jié)構(gòu)示意圖

μC/OS-II系統(tǒng)時鐘：以凌陽SPCE061A單片機(jī)的TMB2時基信號作為系統(tǒng)時鐘，每經(jīng)歷一個時鐘節(jié)拍的時間將產(chǎn)生一次中斷，在中斷服務(wù)子程序中會調(diào)用OSTickISR（）函數(shù)。

移植工作的主要內(nèi)容：用#define 設(shè)置一個常量值（OS_CPU.H）；聲明10個數(shù)據(jù)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(shù)（OS_CPU_C.C）；編寫4個匯編語言函數(shù)（OS_CPU_A.ASM）。

4 結(jié)論

μC/OS-II RTOS是當(dāng)今嵌入式應(yīng)用的熱點之一，應(yīng)用RTOS提高了測控系統(tǒng)系統(tǒng)的可靠性、實時性，降低了研發(fā)周期。本文基于μC/OS-II構(gòu)建的測控系統(tǒng)應(yīng)用在漯河農(nóng)業(yè)局2000萬公斤紅薯儲藏保鮮工程項目中，完全達(dá)到了設(shè)計的控制指標(biāo)：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(zhì)，完好率100%,與不使用本系統(tǒng)的倉儲對比減少損耗25%,約500萬公斤，直接經(jīng)濟(jì)效益500多萬元，同時也取得了較好的社會效益。經(jīng)試驗，溫度測定范圍可以達(dá)到-20-85℃±0.5℃；濕度20—98%RH±2%；氧濃度≮1.5%。所以，該測控系統(tǒng)具有較廣的應(yīng)用前景。