基于Small-RTOS51的數據采集器設計

引 言

　　隨著嵌入式系統的發展，嵌入式軟件設計向軟件平臺靠近，單片機軟件設計不再是單一線程結構方式，而是逐步采用多任務的設計思想。實時內核也稱為實時操作系統或RTOS。它使得實時應用程序的設計、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。通過應用程序分割成若干獨立的任務，RTOS使得應用程序的設計過程大為簡化。使用可剝奪性內核時，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，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中，應用還是最廣泛的。51多任務系統中，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），但是任務沒有優先級和中斷管理，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，所有函數又必須是重入函數，用在51這類小片內RAM的單片機上有點勉強。Small RTOS為小RAM系統設計，RAM需求小，比較適合51這種資源比較少的系統上。

1 數據采集器系統設計

    1.1 數據采集器原理

　　數據采集器是將采集到的電表脈沖信號轉換為電能量數據整理保存，并與上行設備通信傳輸到管理單元進行電表數據的統一管理。

    1.2 硬件設計

　　主控制器采用AT89C52芯片，利用7032將脈沖信號采樣，經過CPU的處理將數據存儲到EEPROM芯片中，數據通過紅外信道上傳到掌上電腦中。系統框圖如圖1所示。

2 Small RTOS51多任務操作系統

　　Small RTOS是一個源代碼公開的多任務實時操作系統，Small RTOS 51是其在8051系列處理器上的移植（使用Keil C51）。Small RTOS可以簡化那些復雜而且時間要求嚴格的工程的軟件設計工作。

Small RTOS有以下的特點。

① 公開源代碼。只要遵循許可協議，任何人可以免費獲得源代碼。

② 可移植。盡量把與CPU相關部分壓縮到最小，與CPU無關部分用ANSI C編寫。

③ 可固化。Small RTOS為嵌入式系統設計，如果有固化手段，它可以嵌入到產品中成為產品的一部分。

④ 占先式。Small RTOS可以管理17個任務，用戶最多可以使用16個任務，每個任務優先級不同。

⑤ 中斷管理。中斷可以使正在執行的任務掛起。如果優先級更高的任務被中斷喚醒，則高優先級的任務在中斷嵌套全部退出后立即執行。中斷嵌套層數可達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系統設計，因而RAM需求小，相應的，系統服務也少。

目前，Small RTOS的最新版本為1.20.0?？梢赃M行任務的建立、刪除、動態內存分配等操作。

3 任務分解設計

　　數據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，由中斷處理相應采集脈沖信號和串口通信。因此，將任務分解為按鍵顯示處理、接收數據、命令處理、發送數據、采樣濾波處理、系統檢測6個任務。

　　主程序進行系統初始化以后，順序建立6個任務，進入CPU休眠狀態。各個任務運行后，首先進入任務休眠狀態，等待相應任務的喚醒。任務被喚醒以后，進行相應處理，再次進入休眠狀態。這樣，可以減少任務切換，減輕系統負擔。

　　任務框圖如圖2所示，主程序流程如圖3所示。

　　脈沖到來時，引發相應外部中斷，由中斷處理程序處理后，置相應信號量，然后喚醒采樣濾波處理任務。采樣濾波處理任務將數據整理后，存儲到外部存儲器中。

　　串口數據到來時，引發串口中斷，串口中斷處理程序喚醒數據接收任務。數據接收任務完成數據包的接收，并根據通信數據包的特點進行錯誤處理。數據包被正確接收后，喚醒命令處理任務。命令處理任務判斷數據包的校驗和，若正確就處理相應的命令。命令處理完成以后，將回應數據打包，然后喚醒發送數據任務，將數據通過串口發送出去。

　　每個任務均采用以下結構。

while(1)

{

OSWait(K_SIG, 0); // 任務睡眠，等待任務喚醒處理過程

}

任務的喚醒用OSTaskResume(TASK_ID)完成。

　　串口接收和發送處理采用隊列模式，設立發送和接收兩個緩沖區，獨立的進出隊列處理。數據解包和數據打包采用單獨處理方式，這樣單獨處理通信協議，以利于今后協議的改動。

　　串口緩沖I/O模塊的程序見本刊網站www.dpj.com.cn。

　　系統節拍設置：將OS_TICKS_PER_SEC設為20，即系統時鐘節拍為每秒20次。定義定時器0的中斷時間設為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任務定時檢測各任務的回應，若長時間沒有回應，則啟動復位功能，熱啟動整個系統，以保證系統的可靠性。

　　由于單片機采用AT89C52，片內RAM為256，使用DS12887中的一部分RAM作為擴展。隊列長度各為15個字節時，程序經過9級優化后，RAM占用140字節，XRAM占用106字節。由于系統RAM很小，因此，沒有使用信號量和消息進行數據傳輸。在其它應用時，可以根據系統資源進行信號量和消息的使用，這樣可以更有效地使任務運行。

4 結 論

　　在嵌入式系統中，使用RTOS是大勢所趨，因為在大多數情況下編程效率比執行效率重要。利用Small RTOS多任務系統設計，可以使51單片機發揮的更有效，并且今后的軟件維護和改進更方便，更可靠。