摘要：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,構建了實時嵌入式多傳感器測控系統(tǒng)。介紹了硬件電路的設計,研究了實時操作系統(tǒng)任務分配和移植技術。實踐試驗證明：溫度濕度氧濃度三個參數(shù)測控范圍和精度達到了設計目標,同時系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸保存等功能,滿足了工程要求。
關鍵詞：多傳感器；實時操作系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)；移植；測控
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。本文結(jié)合紅薯保鮮儲藏工程涉及到的溫度濕度氧濃度等參數(shù)要求,采用高性能16位單片機SPCE061A作為控制芯片,移植可裁剪的多任務實時操作系統(tǒng)μc/OS-II管理多任務的處理,選用高精度溫度傳感器DS18B20、濕度傳感器HIH3605、氧濃度傳感器DW-02構建了一個高精度高性能高可靠性的多傳感器嵌入式測控系統(tǒng),各個被控參數(shù)可調(diào)范圍寬,較好的滿足了工程要求。系統(tǒng)的主要參數(shù)：工作溫度：10～14℃±0.5℃；工作濕度：80～95%RH±5%；氧濃度：≮4.5%。同時,實現(xiàn)了溫濕度數(shù)據(jù)的顯示與保存;可輸出溫度、濕度、氧濃度等調(diào)節(jié)的控制信號,具有故障和報警狀態(tài)提示等功能。
2 系統(tǒng)硬件設計
2.1 單片機系統(tǒng)設計
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；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路濕度傳感器采用HIH3605,它為熱固性聚合物電容傳感器,帶集成信號處理電路,5 V恒壓供電, 放大線形電壓輸出0~5VDC對應0~100%RH（相對濕度）,精度為±3%RH。低功耗設計200μA驅(qū)動電流,寬工作溫度范圍-40℃~+85℃,穩(wěn)定性好,低的溫度飄移,抗化學腐蝕性能優(yōu)良。由于HIH3605為大信號輸出且線性度良好,因此,可省去復雜的信號放大及整形電路,只需經(jīng)過CPU內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器將與濕度值成正比的電壓值轉(zhuǎn)換成16位數(shù)字量,和標準進行比對,然后決定是進行加濕還是通風(溫度適宜的風)。
2路氧濃度檢測選用 DW-02型氧濃度傳感器,該傳感器是一種化學式的氣體擴散型燃料電池,廣泛應用在環(huán)保節(jié)能、航天等領域,用以小環(huán)境氧濃度監(jiān)測。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。這里利用其兩線串行模式與單片機接口,簡化了與單片機的接口電路設計,并減少了硬件資源的占用。
為了將實時采集的氧濃度、溫濕度數(shù)值保存下來,SPCE061A通過IOB7/10 RS232總線將氧濃度溫濕度值傳輸給上位PC機,以便于主計算機完成數(shù)據(jù)存儲。
3 軟件設計
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)。在進行任務切換時需要完成工作的主要步驟如下：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。在為μC/OS-II編寫任務切換代碼時需要注意的是：μC/OS-II在每次發(fā)生中斷后都會產(chǎn)生任務調(diào)度,但在中斷結(jié)束后進行的任務切換,不能調(diào)用普通任務切換函數(shù),這是因為在中斷過程中往往伴隨將CPU的狀態(tài)寄存器壓棧操作。
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。系統(tǒng)中并行存在的幾個任務按優(yōu)先級從高到低依次是：系統(tǒng)監(jiān)視任務、數(shù)據(jù)采集任務、數(shù)據(jù)處理任務、數(shù)據(jù)輸出任務、顯示任務。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。由于其內(nèi)核為搶先式,所以總是處于運行態(tài)最高優(yōu)先級的任務占用CPU。系統(tǒng)提供了豐富的API函數(shù),實現(xiàn)進程之間的通信以及進程狀態(tài)的轉(zhuǎn)化。
μC/OS-II的軟件體系結(jié)構如圖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。另外,該系統(tǒng)具有較好的可擴展性,很容易擴展到其它對溫度、濕度或者氧濃度有一定要求的領域。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。
本文創(chuàng)新點：采用高性能SPCE061A單片機和高精度溫度傳感器、濕度傳感器和氧濃度傳感器，通過移植μC/OS-II多任務實時操作系統(tǒng)，構建了高精度、高可靠性的多傳感器嵌入式測控系統(tǒng)。實際工程應用表明，系統(tǒng)擴展性好、測控精度高、性能穩(wěn)定。
