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(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)時操作系統(tǒng)small RTOS51為基礎(chǔ)，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(shè)計(jì)過程，希望能夠?yàn)樘岣吲潆娮詣踊教峁┮恍┧悸?，盡一點(diǎn)微薄之力。

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

Small RTOS51是一個源代碼公開的多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)，它可以簡化那些復(fù)雜而且對時間要求嚴(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)用在鐵路道口信號燈電源的監(jiān)控與管理，針對該故障診斷終端應(yīng)用的具體場合，在設(shè)計(jì)時主要考慮以下幾個方面：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、分合控制、遠(yuǎn)程開合控制、越限報(bào)警及故障錄波；實(shí)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(diǎn)離散數(shù)據(jù)，及時運(yùn)算，發(fā)生故障時能夠及時報(bào)警，以便及時進(jìn)行處理，故對實(shí)時性有一定要求；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)(以下簡稱040單片機(jī))。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(shí)時時鐘模塊經(jīng)過綜合比較，考慮到在設(shè)計(jì)中同時需要采用NVRAM和實(shí)時時鐘，我們設(shè)計(jì)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(qū)動器在本設(shè)計(jì)中選用PHILIP公司生產(chǎn)的TJA1050T總線驅(qū)動器。

4. 實(shí)時操作系統(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，對系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)分割，確定每個任務(wù)的優(yōu)先級，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、采樣計(jì)算、CAN總線通信、人機(jī)交互界面、容錯設(shè)計(jì)等六個任務(wù)。實(shí)時內(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，而每一個任務(wù)必須是一個無限的循環(huán)。當(dāng)系統(tǒng)啟動多任務(wù)環(huán)境時，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)堆棧空間；每個任務(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(亦稱靜態(tài)優(yōu)先級)的分配策略，任何兩個任務(wù)的優(yōu)先級不能相同，允許用戶改變?nèi)蝿?wù)的優(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(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)，例如時間延時功能、信號量等。

4.3.1 人機(jī)界面

（1）鍵盤驅(qū)動。

本系統(tǒng)采用獨(dú)立式鍵盤設(shè)計(jì)，菜單驅(qū)動程序設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)就是對鍵盤進(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；當(dāng)確認(rèn)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(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游標(biāo)，改變設(shè)定選項(xiàng)，而上下鍵用來改變對應(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)入下一級子菜單或者功能模塊。而當(dāng)前畫面為設(shè)定畫面時，確認(rèn)鍵用來確認(rèn)存儲所更改的設(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LCD模塊的接口框圖。應(yīng)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(wù)，LcdInit（）必須在使用其它函數(shù)之前激活，并且在多任務(wù)啟動之后調(diào)用，LcdInit（）初始化硬件端口配置、創(chuàng)建信號量、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(jī)界面軟件框圖

4.3.2 實(shí)時時鐘

DS1743內(nèi)部集成的實(shí)時時鐘相關(guān)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。控制寄存器有兩個位，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(yù)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(jìn)制與BCD碼相互轉(zhuǎn)換函數(shù)。

4.3.3 CAN總線驅(qū)動程序

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CAN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化，主要包括以下幾個部分：CAN引腳輸出方式的設(shè)置，波特率參數(shù)的設(shè)置，消息對象的初始化，以及當(dāng)允許接收或發(fā)送中斷時對相應(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)定完成后再復(fù)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(bào)文對象進(jìn)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(jìn)行設(shè)置，還要對發(fā)送報(bào)文對象和接收報(bào)文對象分別進(jìn)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(jī)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(shè)置

{……………………………………...}

EIE2 | = 0x20; // 開中斷

}

CAN 報(bào)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(yuǎn)程幀的識別符，將對應(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(bào)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(dāng)其收到一個遠(yuǎn)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(bào)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(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)對下位機(jī)的參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)，只有當(dāng)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(jìn)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(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，在信號量上睡眠，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，也可以在信號量上睡眠，待外部設(shè)備有數(shù)據(jù)來了再喚醒。由于SmallRTOS51的信號量提供了超時等待機(jī)制，CAN口當(dāng)然也具有超時讀寫能力。

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)動函數(shù)主要包括兩個函數(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

本設(shè)計(jì)中采用Small RTOS實(shí)時操作系統(tǒng)，對于實(shí)時操作系統(tǒng)，要求調(diào)度的實(shí)時性、時間響應(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)時性能良好、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。通過系統(tǒng)運(yùn)行測試表明系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,可以滿足各種實(shí)時性能要求,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