1 引言
隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用,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、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。
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的復位脈沖,以使DS18B20復位后將向SPCE061A 發(fā)送一個回應脈沖,SPCE061A接到回應脈沖后將發(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并進行溫度轉(zhuǎn)換。當溫度轉(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、響應快、線性好、溫漂小等特點,穩(wěn)定。主要技術(shù)指標: 響應時間≤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)任務分配
為了充分發(fā)揮操作系統(tǒng)在任務調(diào)度、任務管理、任務通信、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,合理的劃分任務和分配任務的優(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層和中斷程序。μC/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)中的任務狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖2所示。
圖2 μC/OS-II任務狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖
多任務系統(tǒng)在運行時每個任務好像獨立占用CPU一樣,因此系統(tǒng)必須為每個任務開辟一塊內(nèi)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(tǒng)堆棧的數(shù)據(jù)。進行任務切換的步驟如下:①將當前任務CPU所有的寄存器壓棧;②將CPU系統(tǒng)堆棧的數(shù)據(jù)全部拷貝到當前任務的任務堆棧中;③ 得到下一個處于運行態(tài)優(yōu)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(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寄存器的值來進行任務切換。
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(tài)寄存器),再加上PC,總共有7個CPU內(nèi)部寄存器在任務切換時需要保存。μC/OS-II系統(tǒng)調(diào)用OSCtxSw( )來實現(xiàn)任務的切換。在實際系統(tǒng)中,每個任務都是無限循環(huán)的,分別實現(xiàn)某一特定的功能,由μC/OS-II內(nèi)核來進行調(diào)度。系統(tǒng)監(jiān)視任務主要完成系統(tǒng)可靠性的監(jiān)管;數(shù)據(jù)采集任務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)輸出任務主要完成數(shù)據(jù)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(shù)的顯示。系統(tǒng)主程序任務流程圖如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)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(shè)計的搶占式實時多任務操作系統(tǒng),它以源代碼的形式給出。其內(nèi)核主要提供進程管理、時間管理、內(nèi)存管理等服務。系統(tǒng)最多支持56個任務,每個任務均有一個獨有的優(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)提供任務管理、任務之間通信、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是當今嵌入式應用的熱點之一,應用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,完全達到了設(shè)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(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)具有較廣的應用前景。
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