基于RTOS的太陽(yáng)能熱水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：介紹通過(guò)在單片機(jī)內(nèi)嵌入實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)RTOS來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。文中包含主控制端（主端）與數(shù)據(jù)采集端（從端）的功能模塊圖及說(shuō)明，對(duì)存在的多個(gè)任務(wù)進(jìn)行解釋分析，并給出實(shí)現(xiàn)主從通信所定義的幀結(jié)構(gòu)和使用I2C總線(xiàn)在EEPROM存儲(chǔ)器中讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的程序代碼解析。

引言

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展與壯大，越來(lái)越多的單片機(jī)在使用中實(shí)現(xiàn)了RTOS（Real Time multi-tasking Operation System）的嵌入，采用多任務(wù)機(jī)制來(lái)提高系統(tǒng)運(yùn)行的效率和縮短響應(yīng)所用的時(shí)間。由于嵌入式工業(yè)的基礎(chǔ)是以應(yīng)用中心的芯片設(shè)計(jì)和面向應(yīng)用的軟件開(kāi)發(fā)，實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)進(jìn)入嵌入式工業(yè)的意義不亞于歷史上機(jī)械工業(yè)采用三視圖的貢獻(xiàn)，對(duì)嵌入式軟件的標(biāo)準(zhǔn)化和加速知識(shí)創(chuàng)新是一個(gè)里程碑。RTOS具有下述優(yōu)點(diǎn)。

①RTOS是一個(gè)可靠性和可信性很高的實(shí)時(shí)內(nèi)核，將CPU時(shí)間、中斷、I/O、定時(shí)器等資源都包裝起來(lái)，留給用戶(hù)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的API，并根據(jù)各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，合理地在不同任務(wù)之間分配CPU時(shí)間。

②RTOS作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)是十分可取的，基于RTOS上的C語(yǔ)言程序具有極大的可移植性。據(jù)專(zhuān)家測(cè)算，優(yōu)秀RTOS上跨處理器平臺(tái)的程序移植，只需要修改1%～5%的內(nèi)容。

    ③RTOS的引入，解決了嵌入式軟件開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的難題。隨著嵌入式系統(tǒng)中軟件比重不斷上升、應(yīng)用程序越來(lái)越大，對(duì)開(kāi)發(fā)人員、應(yīng)用程序接口、程序檔案的組織管理將成為一個(gè)大的課題。引入RTOS相當(dāng)于引入了一種新的管理模式，對(duì)于開(kāi)發(fā)單位和開(kāi)發(fā)人員都是一個(gè)提高。

本方案從如何更好解決小區(qū)和樓群內(nèi)居民的生活用熱水問(wèn)題出發(fā)，利用綠色環(huán)保的太陽(yáng)能為主要能量來(lái)源，以樓為單位綜合控制，為用戶(hù)提供生活熱水。這不僅方便了生活，摒充了傳統(tǒng)的獨(dú)立式熱水器存在的安全隱患，也便于業(yè)主集中管理和規(guī)劃。

1 系統(tǒng)工作概況

本太陽(yáng)能熱水控制系統(tǒng)以太陽(yáng)能為能源，加熱位于戶(hù)外屋頂上集熱器中的水。被加熱升溫后的水，通過(guò)循環(huán)閥進(jìn)入大水箱，再經(jīng)由重力到達(dá)小水箱，小水箱中設(shè)有輔助能源保持水溫的恒定，再通過(guò)升壓裝置將熱水送到各家各戶(hù)。該系統(tǒng)在缺省狀態(tài)下，以自動(dòng)控制模式判斷四個(gè)閥門(mén)（主要控制點(diǎn)）的工作狀態(tài)，也可根據(jù)需要由工作人員進(jìn)行手動(dòng)控制。工作人員通過(guò)主端的操作控制面板完成人與系統(tǒng)的交互。位于面板上的顯示屏?xí)?shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的工作情況和各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)，供工作人員參考。水箱高度和需要開(kāi)啟加熱閥門(mén)時(shí)的溫度等十二個(gè)系統(tǒng)參數(shù)，既可以在控制箱內(nèi)的操作控制面板上設(shè)置和通過(guò)顯示裝置查看，也可以在遠(yuǎn)程監(jiān)控的計(jì)算機(jī)界面上設(shè)置和查看。考慮到在北方地區(qū)的推廣，系統(tǒng)還設(shè)定了防凍循環(huán)參數(shù)以控制啟停防凍循環(huán)。太陽(yáng)能熱水智能控制系統(tǒng)示意圖如圖1所示，其中控制箱即為主控制端（主端），數(shù)據(jù)采集端（從端）位于大水箱上方。

    系統(tǒng)采用華邦公司生產(chǎn)的單片機(jī)W77E58作為主端和從端的微處理器，由于它去除了多余的時(shí)鐘和存儲(chǔ)周期，其運(yùn)算速度比傳統(tǒng)的8051系列要快1.5～3倍。單片機(jī)中采用的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)是RTX51TNY，該操作系統(tǒng)由德國(guó)Keil公司開(kāi)發(fā)研制，大小只有800B，但理論上支持多達(dá)16個(gè)任務(wù)，任務(wù)間的協(xié)調(diào)和輪換以信號(hào)機(jī)制觸發(fā)。RTX51TNY操作系統(tǒng)允許“準(zhǔn)并行”的同時(shí)執(zhí)行幾個(gè)任務(wù)，每一個(gè)任務(wù)在預(yù)先定義好的時(shí)間片內(nèi)得以執(zhí)行。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

太陽(yáng)能熱水控制系統(tǒng)由以下幾個(gè)模塊構(gòu)成：主控制端處理模塊（即主端）、數(shù)據(jù)采集端模塊（即從端）、監(jiān)控計(jì)算機(jī)及其后臺(tái)服務(wù)程序。其中，從端還包括超聲測(cè)水位器件模塊，該器件利用超聲聲波接觸到水面后反射的簡(jiǎn)單原理，使用放大器電路實(shí)現(xiàn)，成本大大低于市場(chǎng)上流行的投入式液位計(jì)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.1 主控制端軟件實(shí)現(xiàn)及任務(wù)分析

系統(tǒng)的軟件主要由三部分構(gòu)成：主端程序、從端程序和利用超聲技術(shù)測(cè)水位的程序。主端程序包含在主端控制模塊當(dāng)中，它的作用是判斷系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)，通過(guò)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析得到該如何繼續(xù)控制系統(tǒng)的指令。從端程序負(fù)責(zé)處理采集的數(shù)據(jù)，并發(fā)送提交給主處理程序，超聲部分的程序保證超聲模塊測(cè)水位的穩(wěn)定性和精確性。其中，主控制端后臺(tái)處理模塊是系統(tǒng)的主要部分，占據(jù)了絕大部分的代碼量，控制系統(tǒng)的指令大都由這里給出，下面著重介紹這一部分。

主端功能模塊示意圖如圖3所示。

主處理邏輯由7個(gè)任務(wù)構(gòu)成其主體，一些函數(shù)的定義作為其補(bǔ)充。7個(gè)任務(wù)分別為：①初始化任務(wù)；②與串口通信任務(wù)（串口1接收從數(shù)據(jù)采集端發(fā)回的數(shù)據(jù)）；③與串口2通信任務(wù)（串口2負(fù)責(zé)與監(jiān)控計(jì)算機(jī)交換數(shù)據(jù)）；④⑤分別為對(duì)不同顯示區(qū)域的控制任務(wù)；⑥對(duì)硬件中斷的處理任務(wù)；⑦對(duì)傳回?cái)?shù)據(jù)的處理任務(wù)。

    各個(gè)任務(wù)具體實(shí)現(xiàn)的功能如下：

①初始化任務(wù)：初始化串行接口，并開(kāi)始其余6個(gè)任務(wù)，最后刪除自身。

②串口1通信任務(wù)：主處理邏輯每隔一定的時(shí)間就通過(guò)串口1向數(shù)據(jù)采集端發(fā)送查詢(xún)幀查詢(xún)數(shù)據(jù)，發(fā)送一定次數(shù)后仍未收到從端數(shù)據(jù)者，通過(guò)信號(hào)機(jī)制觸發(fā)顯示任務(wù)，顯示與從端通信挫敗的提示信息；若從端返回?zé)o誤數(shù)據(jù)，則轉(zhuǎn)入顯示任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后顯示。若經(jīng)由CRC校驗(yàn)發(fā)現(xiàn)連續(xù)若干次從端傳回?cái)?shù)據(jù)有誤，轉(zhuǎn)入顯示任務(wù)顯示數(shù)據(jù)出錯(cuò)的提示信息。

③串口2通信任務(wù)：由于監(jiān)視該系統(tǒng)運(yùn)行的工作人員需要通過(guò)一些參數(shù)的變化來(lái)實(shí)時(shí)了解當(dāng)前系統(tǒng)工作的情況，這些參數(shù)包括各個(gè)閥門(mén)的狀態(tài)、水箱的水位、各個(gè)傳感器當(dāng)前的溫度等，所以該系統(tǒng)中使用一個(gè)串口來(lái)向監(jiān)控計(jì)算機(jī)提交數(shù)據(jù)。每隔一定時(shí)間監(jiān)控計(jì)算機(jī)便發(fā)送查詢(xún)幀，該查詢(xún)幀分兩，一類(lèi)是查詢(xún)閥門(mén)狀態(tài)，另一類(lèi)查詢(xún)水位和溫度，主控端按其要求的數(shù)據(jù)種類(lèi)填充該幀后回送。

④控制顯示區(qū)任務(wù)1：LED顯示屏分為上下兩行，上面一行為區(qū)域1，下面一行為區(qū)域2。區(qū)域1負(fù)責(zé)顯示當(dāng)前系統(tǒng)中水箱水位，大小水箱溫度等參數(shù)，每屏顯示參數(shù)中的一個(gè)，停留一段時(shí)間后顯示下一個(gè)，如此循環(huán)反復(fù)，操作人員可在此查看系統(tǒng)中參數(shù)的具體值從而做出控制判斷。

⑤控制顯示區(qū)任務(wù)2：區(qū)域2顯示的是系統(tǒng)運(yùn)行中，當(dāng)前各個(gè)閥門(mén)的工作狀態(tài)。系統(tǒng)設(shè)置了以手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式操縱四個(gè)閥門(mén)，用有否提示音來(lái)進(jìn)行區(qū)分。這個(gè)區(qū)域還負(fù)責(zé)顯示各種提示信息或者出錯(cuò)信息，如果溫度傳感器或超聲探頭傳回的數(shù)據(jù)有誤，都在這里給出報(bào)錯(cuò)字樣，并表明是哪部分出了問(wèn)題，便于工作人員及時(shí)檢修排隊(duì)故障。

⑥硬件中斷處理任務(wù)：在控制臺(tái)的表面分布著14個(gè)按鍵用以操縱和控制系統(tǒng)，每按下一個(gè)鍵，系統(tǒng)該做出何種反應(yīng)就由此任務(wù)掌管。由16位輸入4位輸出的編碼器得到按鍵編碼，在這里分十四種情況轉(zhuǎn)入不同的程序段進(jìn)行處理。

⑦對(duì)傳回?cái)?shù)據(jù)的處理任務(wù)：在與串口1的通信任務(wù)中，系統(tǒng)從串口1收到的數(shù)據(jù)如果是無(wú)誤的，則進(jìn)入此任務(wù)。該任務(wù)對(duì)系統(tǒng)中主要存在四種動(dòng)作，即加水、加熱、循環(huán)和回水，分別分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作狀態(tài)，計(jì)算系統(tǒng)中實(shí)時(shí)改變的數(shù)據(jù)該如何影響和決定當(dāng)前系統(tǒng)的動(dòng)作。

2.2 數(shù)據(jù)采集端功能模塊圖

在數(shù)據(jù)采集端，溫度的采集包括對(duì)屋頂集熱器溫度的采集，對(duì)恒溫小水箱溫度的采集，對(duì)大小箱溫度的采集和對(duì)輸水管網(wǎng)中某點(diǎn)溫度的采集。數(shù)據(jù)采集邏輯間接控制循環(huán)閥門(mén)、回水閥門(mén)、加熱閥門(mén)、加水閥門(mén)。數(shù)據(jù)采集端的功能模塊圖如圖4所示（虛線(xiàn)部分表示對(duì)閥門(mén)的間接控制）。

3 通信幀格式

主控制端所實(shí)時(shí)顯示和進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)要靠數(shù)據(jù)采集端進(jìn)行采集后發(fā)回，兩者之間的通信通過(guò)RS485接口，采用定義幀結(jié)構(gòu)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在程序中，我們靠對(duì)幀類(lèi)型的區(qū)分和判斷，共定義了七種代表不同含義的幀，分別是：①主控制端向數(shù)據(jù)采集端發(fā)送的數(shù)據(jù)查詢(xún)幀；②數(shù)據(jù)采集端向主控制端回送的溫度水位等數(shù)據(jù)幀；③監(jiān)控計(jì)算機(jī)端向主控制端發(fā)送的查詢(xún)閥門(mén)狀態(tài)幀；④監(jiān)控計(jì)算機(jī)向主控制端發(fā)送的查詢(xún)溫度水位等數(shù)據(jù)幀；⑤主控制端向監(jiān)控計(jì)算機(jī)回送的閥門(mén)狀態(tài)幀；⑥主控制端向監(jiān)控計(jì)算機(jī)回送的數(shù)據(jù)幀；⑦監(jiān)控計(jì)算機(jī)端設(shè)置參數(shù)告知主控制端幀。若某一幀是傳送數(shù)據(jù)的幀，則data1～dada7的7個(gè)字節(jié)中依次填充大水箱水位、小水箱水溫、大小箱水溫、屋頂集熱器中水溫（3個(gè)采集點(diǎn)）和采集點(diǎn)處的水溫。若某一幀作為傳送當(dāng)前閥門(mén)狀態(tài)的幀，則用7個(gè)字節(jié)中的前4個(gè)來(lái)分別表示進(jìn)水閥、回水閥、加熱閥和循環(huán)閥是打開(kāi)狀態(tài)還是閉合狀態(tài)。幀結(jié)構(gòu)的格式如圖5所示。

除此之外，還可以按照設(shè)計(jì)的需要自行增加幀的類(lèi)型，以實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的通信。

4 系統(tǒng)外存儲(chǔ)器EEPROM

由于控制中經(jīng)常會(huì)涉及到參數(shù)的更改，為了使掉電后不影響系統(tǒng)的運(yùn)行，即需要參數(shù)能夠重現(xiàn)，系統(tǒng)采用帶有I2C總線(xiàn)接口的EEPROM 2402芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取。讀和寫(xiě)分別調(diào)用的兩個(gè)函數(shù)如下：

unsigned char eepromread(unsigned char beginbyte){

unsigned char data result;

unsigned char i;

EA=0;

i=RW24XX(&result,1,beginbyte,READ_OP,M2402);

EA=1;

return(result);

}

/******************************************************

unsigned char i;

EA=0;

i=RW24XX(&datum,beginbyte,WRITE_OP,M2402);

EA=1;

}

可以看出，函數(shù)RW24XX是對(duì)EEPROM外存儲(chǔ)芯片操作的主體函數(shù)，這里給出該函數(shù)中包含參數(shù)的定義：

bit RW24XX(unsigned char *DataBuff,unsigned char ByteQuantity,unsigned int Address,unsigned char ControlByte,enum eepromtype EepromType)

其中，DataBuff為讀寫(xiě)數(shù)據(jù)輸入輸出緩沖區(qū)的首地址，ByteQuantity為要讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，Address為EEPROM芯片的片內(nèi)地址，ControlByte是EEPROM的控制字節(jié)，具體形式為（1）（0）（1）（0）（A2）（A1）（A0）（R/W），其中R/W=1，表示讀操作，R/W=0為寫(xiě)操作，A2、A1、A0為EEPROM的頁(yè)選或片選地址；EepromType為枚舉變量，需為M2401～M24256中的一種，分別對(duì)應(yīng)24C01～24C256，本系統(tǒng)中為M2402；函數(shù)返回值為一個(gè)位變量，若返回1表示此次操作失效，0表示操作成功；ERRORCOUNT為允許最大次數(shù)，若出現(xiàn)ERRORCOUNT次操作失效后，則函數(shù)中止操作，并返回1。

圖5

    在該函數(shù)中，調(diào)用的若干I2C總線(xiàn)函數(shù)如下：

void IICStart(void);

void IICStop(void);

bit IICRecAck(void);

void IICNoAck(void);

void IICAck(void);

unsigned char IICReceiveByte(void);

void IICSendByte(unsigned char sendbyte);

結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，擁有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制模式，具有一定的智能性；既可現(xiàn)場(chǎng)控制，又可遠(yuǎn)程控制；能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀況，合理地調(diào)節(jié)控制狀態(tài)。另外，利用RTX51TNY實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)特征，可以簡(jiǎn)化多任務(wù)程序設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足多個(gè)任務(wù)的時(shí)間特性要求?；趯?shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，可以將各任務(wù)進(jìn)行細(xì)分饈，使各任務(wù)保持相對(duì)獨(dú)立；能有效改善程序結(jié)構(gòu)，便于模塊化處理，使程序的可讀性、可維護(hù)性和可移植性都得到進(jìn)一步提高。