基于CygnalF040的RTOS51的研究與開發(fā)

0．引　言

目前，我國(guó)對(duì)于大部分供電電力設(shè)備的監(jiān)控和管理上基本還停留在人工巡查這種比較原始的管理方式下（例如鐵路道口的信號(hào)電源），不但管理效率低下，而且供電質(zhì)量和水平都得不到有效的保證。本文以實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)small RTOS51為基礎(chǔ)，主要探討了一個(gè)用于電力系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端單元的設(shè)計(jì)過程，希望能夠?yàn)樘岣吲潆娮詣?dòng)化水平提供一些思路，盡一點(diǎn)微薄之力。

1．Small RTOS51多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

Small RTOS51是一個(gè)源代碼公開的多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它可以簡(jiǎn)化那些復(fù)雜而且對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的工程軟件設(shè)計(jì)工作。它具有公開源代碼、可移植、可固化、占先式、中斷管理及RAM 需求小等特點(diǎn)。

2．系統(tǒng)功能描述

本故障診斷終端主要應(yīng)用在鐵路道口信號(hào)燈電源的監(jiān)控與管理，針對(duì)該故障診斷終端應(yīng)用的具體場(chǎng)合，在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮以下幾個(gè)方面：實(shí)用性，由于本故障診斷終端主要用于監(jiān)控鐵路道口信號(hào)電源的工作情況，所以以實(shí)用性為原則，一般情況下只要具有以下功能即可滿足需要：遠(yuǎn)程檢測(cè)、分合控制、遠(yuǎn)程開合控制、越限報(bào)警及故障錄波；實(shí)時(shí)性，本故障診斷終端要求在信號(hào)電源的每個(gè)工頻周期內(nèi)（20毫秒）不間斷的、均勻采集20個(gè)點(diǎn)離散數(shù)據(jù)，及時(shí)運(yùn)算，發(fā)生故障時(shí)能夠及時(shí)報(bào)警，以便及時(shí)進(jìn)行處理，故對(duì)實(shí)時(shí)性有一定要求；可靠性，本故障診斷終端主要應(yīng)用于各鐵路道口，工作地點(diǎn)多為野外，工作環(huán)境十分惡劣，必須有足夠的可靠性才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3．系統(tǒng)硬件模塊

系統(tǒng)從總體上分成主控模塊，交流電信號(hào)輸入及調(diào)理模塊，人機(jī)接口模塊，CAN總線通信模塊以及開關(guān)量輸入輸出通道5大模塊。系統(tǒng)的主控CPU選用Cygnal公司的C8051F040 SoC型單片機(jī)(以下簡(jiǎn)稱040單片機(jī))。系統(tǒng)液晶顯示LCD采用長(zhǎng)沙太陽(yáng)人公司生產(chǎn)2004字符型液晶顯示模塊。實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊經(jīng)過綜合比較，考慮到在設(shè)計(jì)中同時(shí)需要采用NVRAM和實(shí)時(shí)時(shí)鐘，我們?cè)O(shè)計(jì)中選用了非易失性的時(shí)間管理RAM-DS1743，以提高系統(tǒng)的集成度，增加系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)CAN總線驅(qū)動(dòng)器在本設(shè)計(jì)中選用PHILIP公司生產(chǎn)的TJA1050T總線驅(qū)動(dòng)器。

4. 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能以及CygnalF040微處理器的特性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)分割，確定每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，并修改SmallRTOS51與硬件相關(guān)的部分內(nèi)核代碼。

4.1任務(wù)的劃分

根據(jù)上述故障診斷終端所需實(shí)現(xiàn)的功能，劃分系統(tǒng)為故障檢測(cè)、采樣計(jì)算、CAN總線通信、人機(jī)交互界面、容錯(cuò)設(shè)計(jì)等六個(gè)任務(wù)。實(shí)時(shí)內(nèi)核SmallRTOS51提供任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、任務(wù)間的通信、中斷管理和內(nèi)存管理等功能。

4.2任務(wù)的創(chuàng)建及調(diào)度

SmallRTOS51使用靜態(tài)方法建立任務(wù)，節(jié)省RAM的開銷，使得SmallRTOS51可以在小RAM的CPU中運(yùn)行，而每一個(gè)任務(wù)必須是一個(gè)無限的循環(huán)。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)多任務(wù)環(huán)境時(shí)，通過調(diào)用OSStart（）以初始化所有任務(wù)的堆棧，并將堆棧指針指向ID為0的任務(wù)堆?？臻g；每個(gè)任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)如圖1所示。在任務(wù)調(diào)度方面，SmallRTOS51采用固定優(yōu)先級(jí)(亦稱靜態(tài)優(yōu)先級(jí))的分配策略，任何兩個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)不能相同，允許用戶改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級(jí)。

4.3 系統(tǒng)軟件需求

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，在SmallRTOS51平臺(tái)下需要實(shí)現(xiàn)下列API函數(shù)，并且需要使用SmallRTOS51提供的系統(tǒng)服務(wù)，例如時(shí)間延時(shí)功能、信號(hào)量等。

4.3.1 人機(jī)界面

（1）鍵盤驅(qū)動(dòng)。

本系統(tǒng)采用獨(dú)立式鍵盤設(shè)計(jì)，菜單驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)就是對(duì)鍵盤進(jìn)行周期性處理，使用消息隊(duì)列傳遞鍵盤消息來處理按鍵問題；解析鍵值，執(zhí)行功能模塊同時(shí)刷新畫面。在中斷發(fā)生后，首先獲取鍵值void getkey (void)；應(yīng)用系統(tǒng)函數(shù)完成去抖延時(shí)；當(dāng)確認(rèn)有鍵按下時(shí)，發(fā)送DOWNKEY消息；松開時(shí)發(fā)送UPKEY消息，并依據(jù)鍵值的不同來進(jìn)行解析：未按鍵：在沒有按鍵的情況下，直接跳過鍵盤解析模塊，其鍵值為0x79；方向鍵：依照當(dāng)前系統(tǒng)所處的工作狀態(tài)分成兩種情況，如果當(dāng)前顯示畫面為菜單選擇狀態(tài)，則上下方向鍵用來移動(dòng)游標(biāo)，達(dá)到改變選項(xiàng)的目的。如果是設(shè)定畫面，則左右方向鍵用來移動(dòng)游標(biāo)，改變?cè)O(shè)定選項(xiàng)，而上下鍵用來改變對(duì)應(yīng)選項(xiàng)設(shè)定值，其鍵值為0xe9、0xd9，0xb9、0xf1；確認(rèn)鍵：這里也分成兩種情況，如果當(dāng)前顯示畫面為菜單選擇狀態(tài)，則確認(rèn)鍵用來進(jìn)入下一級(jí)子菜單或者功能模塊。而當(dāng)前畫面為設(shè)定畫面時(shí)，確認(rèn)鍵用來確認(rèn)存儲(chǔ)所更改的設(shè)定值，其鍵值為0xf1；返回鍵：返回鍵用來返回上一級(jí)菜單，返回鍵值為0xf8。鍵盤流程圖如圖2所示，人機(jī)界面軟件框圖如圖3所示。

（2）LCD液晶顯示部分。LCD的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下功能：LCD的初始化配置；顯示ASCII字符串。圖6為L(zhǎng)CD模塊的接口框圖。應(yīng)用程序通過下面8個(gè)函數(shù)完成對(duì)LCD接口的操作LcdPos（）、LcdRead（）、LcdWDat（）、LcdInit（）、DisANum（）、LcdWrite（）、DisAStr（）、LCDWFont（）、BcdToDec（）、DecToBcd（）。LcdInit（）是模塊的初始化代碼。由于使用SmallRTOS51提供的服務(wù)，LcdInit（）必須在使用其它函數(shù)之前激活，并且在多任務(wù)啟動(dòng)之后調(diào)用，LcdInit（）初始化硬件端口配置、創(chuàng)建信號(hào)量、設(shè)置LCD的工作模式。另外，通過LCDWFont函數(shù)可以自定義8個(gè)58像素的字符或符號(hào)。例如定義一個(gè)下向箭頭“↓”，程序清單為：

void XLCDWFont(void)

{ uint8 i;

uint8 font[ ]= {0x04,0x04,0x04,0x04,0x15,0x0e,0x04,0x00};

for ( i=0;i8;i++ )

{

LcdWCmd ( 0x40+I ) ；

LcdWDat ( font[i] ) ；

}

}

圖2 鍵盤流程圖

圖3 人機(jī)界面軟件框圖

4.3.2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘

DS1743內(nèi)部集成的實(shí)時(shí)時(shí)鐘相關(guān)寄存器位于RAM中的最高八個(gè)地址，即控制寄存器位于地址1FF8，年，月，日，星期，時(shí)，分，秒寄存器位于地址1FF9-1FFF?？刂萍拇嫫饔袃蓚€(gè)位，讀取位和寫入位，通過對(duì)這兩個(gè)位寫入1中止外部時(shí)鐘寄存器的更新動(dòng)作，以預(yù)防在更新過渡期間讀到錯(cuò)誤的時(shí)鐘數(shù)據(jù)。主函數(shù)體共有兩個(gè)：Ds1743GetTime（）、Ds1743SetTime（），其中uint8 DecToBcd (uint8 number) 與uint8 BcdTDeco (uint8 number)為十進(jìn)制與BCD碼相互轉(zhuǎn)換函數(shù)。

4.3.3 CAN總線驅(qū)動(dòng)程序

一般情況下最基本的CAN總線節(jié)點(diǎn)的通信軟件包括三個(gè)部分:CAN節(jié)點(diǎn)的初始化，消息的傳送，消息的接收。首先建立緩沖區(qū)，對(duì)CAN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化，主要包括以下幾個(gè)部分：CAN引腳輸出方式的設(shè)置，波特率參數(shù)的設(shè)置，消息對(duì)象的初始化，以及當(dāng)允許接收或發(fā)送中斷時(shí)對(duì)相應(yīng)中斷允許位的設(shè)置。要進(jìn)入初始化狀態(tài)，必須設(shè)定CAN控制寄存器中的Init位為1。設(shè)定完成后再?gòu)?fù)位Init位退出初始化狀態(tài)。初始化程序主要完成對(duì)所有的報(bào)文對(duì)象進(jìn)行初始化（一般將所有值置零），對(duì)CAN 控制寄存器（CAN0CN）、位定時(shí)寄存器（BITREG）進(jìn)行設(shè)置，還要對(duì)發(fā)送報(bào)文對(duì)象和接收?qǐng)?bào)文對(duì)象分別進(jìn)行初始化。主程序中規(guī)定對(duì)象初始化、發(fā)送和接收初始化，啟動(dòng)CAN 處理機(jī)制（對(duì)BITREG 和CAN0CN 初始化），下面為CAN 啟動(dòng)程序：

void StartCAN (uint8 count)

{

WORD bps;

Switch (count) // 波特率參數(shù)設(shè)置

{……………………………………...}

EIE2 | = 0x20; // 開中斷

}

CAN 報(bào)文發(fā)送是由CAN 控制器自動(dòng)完成的，用戶只需根據(jù)接收到的遠(yuǎn)程幀的識(shí)別符，將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到發(fā)送緩沖寄存器，然后將此報(bào)文對(duì)象的編碼寫入命令請(qǐng)求寄存器啟動(dòng)發(fā)送即可，而發(fā)送由硬件來完成。這里，我們使用定時(shí)更新發(fā)送報(bào)文對(duì)象中的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的發(fā)送有控制器自動(dòng)完成，當(dāng)其收到一個(gè)遠(yuǎn)程幀時(shí)，就將具有相同識(shí)別符的數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去。

CAN 報(bào)文的接收與發(fā)送一樣，是由CAN 控制器自動(dòng)完成的，接收程序只需從接收緩存器中讀取接收的數(shù)據(jù)，再進(jìn)行相應(yīng)的處理即可。其基本方法與發(fā)送程序一致，只是接收程序采用中斷方式。在此應(yīng)用中，接收程序主要接收上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)，只有當(dāng)修改時(shí)才需要接收數(shù)據(jù)，所以采用中斷方式處理比較合適。在對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫過程中，引入讀、寫兩個(gè)信號(hào)量分別對(duì)緩沖區(qū)兩端的操作進(jìn)行同步。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于：當(dāng)用戶任務(wù)想寫但緩沖區(qū)滿時(shí)，在信號(hào)量上睡眠，讓CPU運(yùn)行別的任務(wù)，待ISR從緩沖區(qū)讀走數(shù)據(jù)后喚醒此睡眠的任務(wù)；類似地，當(dāng)用戶任務(wù)想讀但緩沖區(qū)空時(shí)，也可以在信號(hào)量上睡眠，待外部設(shè)備有數(shù)據(jù)來了再喚醒。由于SmallRTOS51的信號(hào)量提供了超時(shí)等待機(jī)制，CAN口當(dāng)然也具有超時(shí)讀寫能力。

4.3.4開關(guān)量輸入輸出模塊

開關(guān)量輸入部分模塊的作用是為故障診斷終端正確監(jiān)測(cè)開關(guān)量的狀態(tài)提供輸入通道。開關(guān)量輸入輸出部分模塊的底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)主要包括兩個(gè)函數(shù)，分別是：

uchar SwitchStausGet(void) //獲取開關(guān)量的狀態(tài)

void SwitchStausSet(uchar dat) //設(shè)定開關(guān)量的狀態(tài)

5.結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)中采用Small RTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，對(duì)于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，要求調(diào)度的實(shí)時(shí)性、時(shí)間響應(yīng)的可確定性和系統(tǒng)的高度可靠性，最重要的指標(biāo)就是內(nèi)存的開銷。本設(shè)計(jì)中單片機(jī)采用Cygnal F040，內(nèi)部RAM為4352字節(jié)（4K+256），程序經(jīng)過優(yōu)化調(diào)試后，RAM總共占用402字節(jié)，符合系統(tǒng)內(nèi)存要求，無須外擴(kuò)RAM已能很好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。以Small RTOS51嵌入式操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)開發(fā)的電力系統(tǒng)故障診斷終端系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性能良好、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。通過系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試表明系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,可以滿足各種實(shí)時(shí)性能要求,在故障診斷終端技術(shù)中有很好的應(yīng)用前景。

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2004.5