基于Small RTOS51的數(shù)據(jù)采集器設(shè)計
關(guān)鍵詞：Small RTOS51 多任務(wù)操作系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集器
引 言
隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，嵌入式軟件設(shè)計向軟件平臺靠近，單片機軟件設(shè)計不再是單一線程結(jié)構(gòu)方式，而是逐步采用多任務(wù)的設(shè)計思想。實時內(nèi)核也稱為實時操作系統(tǒng)或RTOS。它使得實時應(yīng)用程序的設(shè)計、擴展和維護變得更容易，不需要大的改動就可以增加新的功能。通過應(yīng)用程序分割成若干獨立的任務(wù)，RTOS使得應(yīng)用程序的設(shè)計過程大為簡化。使用可剝奪性內(nèi)核時，所有時間要求苛刻的事件都得到了盡可能快捷、有效的處理。通過有效的服務(wù)，如信號量、郵箱、隊列、延時、超時等，RTOS使得資源得到更好的利用。
目前8位單片機在嵌入式系統(tǒng)中，應(yīng)用還是最廣泛的。51多任務(wù)系統(tǒng)中，Keil C51 所帶的RTX51 Full 太大（6KB多），且需要外部RAM，又無源代碼，很多時候不實用。RTX51 Tiny雖然?。?00多字節(jié)），但是任務(wù)沒有優(yōu)先級和中斷管理，也無源代碼，也不太實用。而uC/OSII雖有源代碼，但是它太大，又需要外部RAM，所有函數(shù)又必須是重入函數(shù)，用在51這類小片內(nèi)RAM的單片機上有點勉強。Small RTOS為小RAM系統(tǒng)設(shè)計，RAM需求小，比較適合51這種資源比較少的系統(tǒng)上。
1 數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)設(shè)計
1.1 數(shù)據(jù)采集器原理
數(shù)據(jù)采集器是將采集到的電表脈沖信號轉(zhuǎn)換為電能量數(shù)據(jù)整理保存，并與上行設(shè)備通信傳輸?shù)焦芾韱卧M行電表數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。
1.2 硬件設(shè)計
主控制器采用AT89C52芯片，利用7032將脈沖信號采樣，經(jīng)過CPU的處理將數(shù)據(jù)存儲到EEPROM芯片中，數(shù)據(jù)通過紅外信道上傳到掌上電腦中。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
2 Small RTOS51多任務(wù)操作系統(tǒng)
Small RTOS是一個源代碼公開的多任務(wù)實時操作系統(tǒng)，Small RTOS 51是其在8051系列處理器上的移植（使用Keil C51）。Small RTOS可以簡化那些復(fù)雜而且時間要求嚴格的工程的軟件設(shè)計工作。
Small RTOS有以下的特點。
① 公開源代碼。只要遵循許可協(xié)議，任何人可以免費獲得源代碼。
② 可移植。盡量把與CPU相關(guān)部分壓縮到最小，與CPU無關(guān)部分用ANSI C編寫。
③ 可固化。Small RTOS為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，如果有固化手段，它可以嵌入到產(chǎn)品中成為產(chǎn)品的一部分。
④ 占先式。Small RTOS可以管理17個任務(wù)，用戶最多可以使用16個任務(wù)，每個任務(wù)優(yōu)先級不同。
⑤ 中斷管理。中斷可以使正在執(zhí)行的任務(wù)掛起。如果優(yōu)先級更高的任務(wù)被中斷喚醒，則高優(yōu)先級的任務(wù)在中斷嵌套全部退出后立即執(zhí)行。中斷嵌套層數(shù)可達255 層。如果需要，可以禁止中斷嵌套管理。
⑥ RAM需求小。Small RTOS為小RAM系統(tǒng)設(shè)計，因而RAM需求小，相應(yīng)的，系統(tǒng)服務(wù)也少。
目前，Small RTOS的最新版本為1.20.0。可以進行任務(wù)的建立、刪除、動態(tài)內(nèi)存分配等操作。
3 任務(wù)分解設(shè)計
數(shù)據(jù)采集器主要包括采集處理、顯示處理、按鍵處理、通信處理等模塊，由中斷處理相應(yīng)采集脈沖信號和串口通信。因此，將任務(wù)分解為按鍵顯示處理、接收數(shù)據(jù)、命令處理、發(fā)送數(shù)據(jù)、采樣濾波處理、系統(tǒng)檢測6個任務(wù)。
主程序進行系統(tǒng)初始化以后，順序建立6個任務(wù)，進入CPU休眠狀態(tài)。各個任務(wù)運行后，首先進入任務(wù)休眠狀態(tài)，等待相應(yīng)任務(wù)的喚醒。任務(wù)被喚醒以后，進行相應(yīng)處理，再次進入休眠狀態(tài)。這樣，可以減少任務(wù)切換，減輕系統(tǒng)負擔(dān)。
任務(wù)框圖如圖2所示，主程序流程如圖3所示。
脈沖到來時，引發(fā)相應(yīng)外部中斷，由中斷處理程序處理后，置相應(yīng)信號量，然后喚醒采樣濾波處理任務(wù)。采樣濾波處理任務(wù)將數(shù)據(jù)整理后，存儲到外部存儲器中。
串口數(shù)據(jù)到來時，引發(fā)串口中斷，串口中斷處理程序喚醒數(shù)據(jù)接收任務(wù)。數(shù)據(jù)接收任務(wù)完成數(shù)據(jù)包的接收，并根據(jù)通信數(shù)據(jù)包的特點進行錯誤處理。數(shù)據(jù)包被正確接收后，喚醒命令處理任務(wù)。命令處理任務(wù)判斷數(shù)據(jù)包的校驗和，若正確就處理相應(yīng)的命令。命令處理完成以后，將回應(yīng)數(shù)據(jù)打包，然后喚醒發(fā)送數(shù)據(jù)任務(wù)，將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送出去。
每個任務(wù)均采用以下結(jié)構(gòu)。
while(1)
{
OSWait(K_SIG, 0); // 任務(wù)睡眠，等待任務(wù)喚醒處理過程
}
任務(wù)的喚醒用OSTaskResume(TASK_ID)完成。
串口接收和發(fā)送處理采用隊列模式，設(shè)立發(fā)送和接收兩個緩沖區(qū)，獨立的進出隊列處理。數(shù)據(jù)解包和數(shù)據(jù)打包采用單獨處理方式，這樣單獨處理通信協(xié)議，以利于今后協(xié)議的改動。
串口緩沖I/O模塊的程序見本刊網(wǎng)站www.dpj.com.cn。
系統(tǒng)節(jié)拍設(shè)置：將OS_TICKS_PER_SEC設(shè)為20，即系統(tǒng)時鐘節(jié)拍為每秒20次。定義定時器0的中斷時間設(shè)為50ms。
#define m_Fosc 11059200L
#define m_TIME 65536L - (m_Fosc / (OS_TICKS_PER_SEC *
12L))
void InitTimer0(void) {
TMOD = (TMOD & 0xF0) | 0x01;
TH0 = m_TIME / 256;
TL0 = m_TIME % 256;
ET0 = 1;
TF0 = 0;
}
TestSys任務(wù)定時檢測各任務(wù)的回應(yīng)，若長時間沒有回應(yīng)，則啟動復(fù)位功能，熱啟動整個系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)的可靠性。
由于單片機采用AT89C52，片內(nèi)RAM為256，使用DS12887中的一部分RAM作為擴展。隊列長度各為15個字節(jié)時，程序經(jīng)過9級優(yōu)化后，RAM占用140字節(jié)，XRAM占用106字節(jié)。由于系統(tǒng)RAM很小，因此，沒有使用信號量和消息進行數(shù)據(jù)傳輸。在其它應(yīng)用時，可以根據(jù)系統(tǒng)資源進行信號量和消息的使用，這樣可以更有效地使任務(wù)運行。
4 結(jié) 論
在嵌入式系統(tǒng)中，使用RTOS是大勢所趨，因為在大多數(shù)情況下編程效率比執(zhí)行效率重要。利用Small RTOS多任務(wù)系統(tǒng)設(shè)計，可以使51單片機發(fā)揮的更有效，并且今后的軟件維護和改進更方便，更可靠。
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