基于CygnalF040的RTOS51的研究與開發(fā)

0．引　言

目前，我國對于大部分供電電力設備的監(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。本文以實時操作系統(tǒng)small RTOS51為基礎，主要探討了一個用于電力系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)控終端單元的設計過程，希望能夠為提高配電自動化水平提供一些思路，盡一點微薄之力。

1．Small RTOS51多任務實時操作系統(tǒng)

Small RTOS51是一個源代碼公開的多任務實時操作系統(tǒng)，它可以簡化那些復雜而且對時間要求嚴格的工程軟件設計工作。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。

2．系統(tǒng)功能描述

本故障診斷終端主要應用在鐵路道口信號燈電源的監(jiān)控與管理，針對該故障診斷終端應用的具體場合，在設計時主要考慮以下幾個方面：實用性，由于本故障診斷終端主要用于監(jiān)控鐵路道口信號電源的工作情況，所以以實用性為原則，一般情況下只要具有以下功能即可滿足需要：遠程檢測、分合控制、遠程開合控制、越限報警及故障錄波；實時性，本故障診斷終端要求在信號電源的每個工頻周期內(nèi)（20毫秒）不間斷的、均勻采集20個點離散數(shù)據(jù)，及時運算，發(fā)生故障時能夠及時報警，以便及時進行處理，故對實時性有一定要求；可靠性，本故障診斷終端主要應用于各鐵路道口，工作地點多為野外，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，交流電信號輸入及調(diào)理模塊，人機接口模塊，CAN總線通信模塊以及開關量輸入輸出通道5大模塊。系統(tǒng)的主控CPU選用Cygnal公司的C8051F040 SoC型單片機(以下簡稱040單片機)。系統(tǒng)液晶顯示LCD采用長沙太陽人公司生產(chǎn)2004字符型液晶顯示模塊。實時時鐘模塊經(jīng)過綜合比較，考慮到在設計中同時需要采用NVRAM和實時時鐘，我們設計中選用了非易失性的時間管理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總線驅動器在本設計中選用PHILIP公司生產(chǎn)的TJA1050T總線驅動器。

4. 實時操作系統(tǒng)的軟件設計

根據(jù)系統(tǒng)實現(xiàn)的功能以及CygnalF040微處理器的特性，對系統(tǒng)進行任務分割，確定每個任務的優(yōu)先級，并修改SmallRTOS51與硬件相關的部分內(nèi)核代碼。

4.1任務的劃分

根據(jù)上述故障診斷終端所需實現(xiàn)的功能，劃分系統(tǒng)為故障檢測、采樣計算、CAN總線通信、人機交互界面、容錯設計等六個任務。實時內(nèi)核SmallRTOS51提供任務調(diào)度、任務管理、任務間的通信、中斷管理和內(nèi)存管理等功能。

4.2任務的創(chuàng)建及調(diào)度

SmallRTOS51使用靜態(tài)方法建立任務，節(jié)省RAM的開銷，使得SmallRTOS51可以在小RAM的CPU中運行，而每一個任務必須是一個無限的循環(huán)。當系統(tǒng)啟動多任務環(huán)境時，通過調(diào)用OSStart（）以初始化所有任務的堆棧，并將堆棧指針指向ID為0的任務堆?？臻g；每個任務的堆棧結構如圖1所示。在任務調(diào)度方面，SmallRTOS51采用固定優(yōu)先級(亦稱靜態(tài)優(yōu)先級)的分配策略，任何兩個任務的優(yōu)先級不能相同，允許用戶改變?nèi)蝿盏膬?yōu)先級。

4.3 系統(tǒng)軟件需求

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，在SmallRTOS51平臺下需要實現(xiàn)下列API函數(shù)，并且需要使用SmallRTOS51提供的系統(tǒng)服務，例如時間延時功能、信號量等。

4.3.1 人機界面

（1）鍵盤驅動。

本系統(tǒng)采用獨立式鍵盤設計，菜單驅動程序設計的實質(zhì)就是對鍵盤進行周期性處理，使用消息隊列傳遞鍵盤消息來處理按鍵問題；解析鍵值，執(zhí)行功能模塊同時刷新畫面。在中斷發(fā)生后，首先獲取鍵值void getkey (void)；應用系統(tǒng)函數(shù)完成去抖延時；當確認有鍵按下時，發(fā)送DOWNKEY消息；松開時發(fā)送UPKEY消息，并依據(jù)鍵值的不同來進行解析：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：依照當前系統(tǒng)所處的工作狀態(tài)分成兩種情況，如果當前顯示畫面為菜單選擇狀態(tài)，則上下方向鍵用來移動游標，達到改變選項的目的。如果是設定畫面，則左右方向鍵用來移動游標，改變設定選項，而上下鍵用來改變對應選項設定值，其鍵值為0xe9、0xd9，0xb9、0xf1；確認鍵：這里也分成兩種情況，如果當前顯示畫面為菜單選擇狀態(tài)，則確認鍵用來進入下一級子菜單或者功能模塊。而當前畫面為設定畫面時，確認鍵用來確認存儲所更改的設定值，其鍵值為0xf1；返回鍵：返回鍵用來返回上一級菜單，返回鍵值為0xf8。鍵盤流程圖如圖2所示，人機界面軟件框圖如圖3所示。

（2）LCD液晶顯示部分。LCD的API函數(shù)實現(xiàn)如下功能：LCD的初始化配置；顯示ASCII字符串。圖6為LCD模塊的接口框圖。應用程序通過下面8個函數(shù)完成對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，LcdInit（）必須在使用其它函數(shù)之前激活，并且在多任務啟動之后調(diào)用，LcdInit（）初始化硬件端口配置、創(chuàng)建信號量、設置LCD的工作模式。另外，通過LCDWFont函數(shù)可以自定義8個58像素的字符或符號。例如定義一個下向箭頭“↓”，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 人機界面軟件框圖

4.3.2 實時時鐘

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

4.3.3 CAN總線驅動程序

一般情況下最基本的CAN總線節(jié)點的通信軟件包括三個部分:CAN節(jié)點的初始化，消息的傳送，消息的接收。首先建立緩沖區(qū)，對CAN節(jié)點進行初始化，主要包括以下幾個部分：CAN引腳輸出方式的設置，波特率參數(shù)的設置，消息對象的初始化，以及當允許接收或發(fā)送中斷時對相應中斷允許位的設置。要進入初始化狀態(tài)，必須設定CAN控制寄存器中的Init位為1。設定完成后再復位Init位退出初始化狀態(tài)。初始化程序主要完成對所有的報文對象進行初始化（一般將所有值置零），對CAN 控制寄存器（CAN0CN）、位定時寄存器（BITREG）進行設置，還要對發(fā)送報文對象和接收報文對象分別進行初始化。主程序中規(guī)定對象初始化、發(fā)送和接收初始化，啟動CAN 處理機制（對BITREG 和CAN0CN 初始化），下面為CAN 啟動程序：

void StartCAN (uint8 count)

{

WORD bps;

Switch (count) // 波特率參數(shù)設置

{……………………………………...}

EIE2 | = 0x20; // 開中斷

}

CAN 報文發(fā)送是由CAN 控制器自動完成的，用戶只需根據(jù)接收到的遠程幀的識別符，將對應的數(shù)據(jù)轉移到發(fā)送緩沖寄存器，然后將此報文對象的編碼寫入命令請求寄存器啟動發(fā)送即可，而發(fā)送由硬件來完成。這里，我們使用定時更新發(fā)送報文對象中的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的發(fā)送有控制器自動完成，當其收到一個遠程幀時，就將具有相同識別符的數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去。

CAN 報文的接收與發(fā)送一樣，是由CAN 控制器自動完成的，接收程序只需從接收緩存器中讀取接收的數(shù)據(jù)，再進行相應的處理即可。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。在此應用中，接收程序主要接收上位機對下位機的參數(shù)設置數(shù)據(jù)，只有當修改時才需要接收數(shù)據(jù)，所以采用中斷方式處理比較合適。在對緩沖區(qū)進行讀寫過程中，引入讀、寫兩個信號量分別對緩沖區(qū)兩端的操作進行同步。這樣設計的優(yōu)點在于：當用戶任務想寫但緩沖區(qū)滿時，在信號量上睡眠，讓CPU運行別的任務，待ISR從緩沖區(qū)讀走數(shù)據(jù)后喚醒此睡眠的任務；類似地，當用戶任務想讀但緩沖區(qū)空時，也可以在信號量上睡眠，待外部設備有數(shù)據(jù)來了再喚醒。由于SmallRTOS51的信號量提供了超時等待機制，CAN口當然也具有超時讀寫能力。

4.3.4開關量輸入輸出模塊

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

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

void SwitchStausSet(uchar dat) //設定開關量的狀態(tài)

5.結語

本設計中采用Small RTOS實時操作系統(tǒng)，對于實時操作系統(tǒng)，要求調(diào)度的實時性、時間響應的可確定性和系統(tǒng)的高度可靠性，最重要的指標就是內(nèi)存的開銷。本設計中單片機采用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RAM已能很好的實現(xiàn)系統(tǒng)功能。以Small RTOS51嵌入式操作系統(tǒng)為基礎開發(fā)的電力系統(tǒng)故障診斷終端系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、實時性能良好、擴展性強等特點。通過系統(tǒng)運行測試表明系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,可以滿足各種實時性能要求,在故障診斷終端技術中有很好的應用前景。

參考文獻

[1] 張春雷,王東興 uC/OS- II 在C8051F020 單片機上的移植[J], 微計算機信息，2006.5：95-97

[2] Jean J.Labrosse. 嵌入式實時操作系統(tǒng)uC/OS-II . 第2版. 邵貝貝, 等譯. 北京：北京航空航天大學出版社, 2003.5

[3] 陳明計, 周立功. 嵌入式實時操作系統(tǒng)Small RTOS51原理及應用. 北京：北京航空航天大學出版社，2004.3

[4] 金永生, 范明鳳. 基于Small RTOS51 的數(shù)據(jù)采集器設計，單片機與嵌入式系統(tǒng)應用

2004.5