- 基于μc/OS-II的多传感器测控系统研究[图]

为了充分发挥操作系统在任务调度、任务管理、任务通信、时间管理和内存管理等方面的优势,首先必须根据需要实现的功能,合理的划分任务和分配任务的优先级。按温湿度测控系统所要求实现的功能,将整个系统划分为并行存在的任务层和中断程序。μC/OS-II嵌入式实时操作系统中的任务状态转换如图2所示。

图2 μC/OS-II任务状态转换示意图

多任务系统在运行时每个任务好像独立占用CPU一样,因此系统必须为每个任务开辟一块内存空间作为该任务的任务堆栈。该堆栈的作用是保存任务被切换前时CPU各寄存器的值以及系统堆栈的数据。在进行任务切换时需要完成工作的主要步骤如下：①将当前任务CPU所有的寄存器压栈；②将CPU系统堆栈的数据全部拷贝到当前任务的任务堆栈中；③ 得到下一个处于运行态优先级最高的任务的任务堆栈的指针；④ 恢复下一个任务的CPU寄存器的值；⑤ 恢复下一个任务的系统堆栈中的数据；⑥ 通过中断返回指令或函数返回指令,间接修改PC寄存器的值来进行任务切换。在为μC/OS-II编写任务切换代码时需要注意的是：μC/OS-II在每次发生中断后都会产生任务调度,但在中断结束后进行的任务切换,不能调用普通任务切换函数,这是因为在中断过程中往往伴随将CPU的状态寄存器压栈操作。

任务切换方法：凌阳SPACE061A单片机有R1-R5 五个通用寄存器,还有1个SR（CPU状态寄存器）,再加上PC,总共有7个CPU内部寄存器在任务切换时需要保存。μC/OS-II系统调用OSCtxSw( )来实现任务的切换。系统中并行存在的几个任务按优先级从高到低依次是：系统监视任务、数据采集任务、数据处理任务、数据输出任务、显示任务。在实际系统中,每个任务都是无限循环的,分别实现某一特定的功能,由μC/OS-II内核来进行调度。系统监视任务主要完成系统可靠性的监管；数据采集任务主要完成温度湿度氧浓度的检测和A/D转换；数据处理任务主要完成采集数据和设定数据的比较判定；数据输出任务主要完成数据输出给LCD、通过RS232传输给主机、以及输出控制信号给继电器电路,完成通风、加热、加湿等功能；显示任务主要完成温度湿度氧浓度参数的显示。系统主程序任务流程图如图3所示。

图3 系统主程序任务流程图

3.2 μc/OS-II的移植

μC/OS-II是一种专门为微控制器设计的抢占式实时多任务操作系统,它以源代码的形式给出。其内核主要提供进程管理、时间管理、内存管理等服务。系统最多支持56个任务,每个任务均有一个独有的优先级。由于其内核为抢先式,所以总是处于运行态最高优先级的任务占用CPU。系统提供了丰富的API函数,实现进程之间的通信以及进程状态的转化。

μC/OS-II的软件体系结构如图4所示。从图4中可以看到,如果要使用μC/OS-II, 必须为其编写OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM三个文件。这三个文件是与芯片的硬件特性有关的,它们主要提供任务切换与系统时钟的功能。其它文件用C写成,它们为系统提供任务管理、任务之间通信、时间管理以及内存管理等功能。

图4 μC/OS-II 软件体系结构示意图

μC/OS-II系统时钟：以凌阳SPCE061A单片机的TMB2时基信号作为系统时钟,每经历一个时钟节拍的时间将产生一次中断,在中断服务子程序中会调用OSTickISR()函数。

移植工作的主要内容：用#define 设置一个常量值（OS_CPU.H）;声明10个数据类型（OS_CPU.H）; 用#define 声明3个宏（OS_CPU.H）；用C语言编写6个简单的函数（OS_CPU_C.C）；编写4个汇编语言函数（OS_CPU_A.ASM）。

4 结论

μC/OS-II RTOS是当今嵌入式应用的热点之一,应用RTOS提高了测控系统系统的可靠性、实时性,降低了研发周期。本文基于μC/OS-II构建的测控系统应用在漯河农业局2000万公斤红薯储藏保鲜工程项目中,完全达到了设计的控制指标：温度10-14℃±0.5℃ ,湿度80—95%RH±2%,氧浓度≮4.5%。降低了红薯因为温度湿度氧浓度不正常造成的变质,完好率100%,与不使用本系统的仓储对比减少损耗25%,约500万公斤,直接经济效益500多万元,同时也取得了较好的社会效益。另外,该系统具有较好的可扩展性,很容易扩展到其它对温度、湿度或者氧浓度有一定要求的领域。经试验,温度测定范围可以达到-20-85℃±0.5℃；湿度20—98%RH±2%；氧浓度≮1.5%。所以,该测控系统具有较广的应用前景。