關鍵詞：多傳感器；實時操作系統；嵌入式系統；移植；測控
1 引言
隨著嵌入式系統的廣泛應用,原來單一傳感器的嵌入式系統逐漸向嵌入式多傳感器系統發展。由此提出了多傳感器任務調度分配的問題。本文結合紅薯保鮮儲藏工程涉及到的溫度濕度氧濃度等參數要求,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,各個被控參數可調范圍寬,較好的滿足了工程要求。系統的主要參數：工作溫度：10～14℃±0.5℃；工作濕度：80～95%RH±5%；氧濃度：≮4.5%。同時,實現了溫濕度數據的顯示與保存;可輸出溫度、濕度、氧濃度等調節的控制信號,具有故障和報警狀態提示等功能。
2 系統硬件設計
2.1 單片機系統設計
系統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內核的16位單片機。
圖1 系統硬件電路原理框圖
2.2 傳感器電路設計
溫度檢測電路選用Dalls公司生產的三線式數字溫度傳感器DS18B20。該器件只有3個引腳,不需要外部元件,一條數據線進行通信。該電路的檢測溫度范圍設計為0~+50℃；精度為0.5℃；用9bit數字量來表示溫度；每次將溫度轉換成數字量需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必須發送64位ROM代碼。
本系統用3塊DS18B20來實現對環境溫度的檢測,保證在被測環境范圍內,溫度分布均勻,測量更加準確,使用時將DS18B20放置在被測環境的不同位置。獲得溫度信息時,先由SPCE061A的IOB15腳發送一個1ms的復位脈沖,以使DS18B20復位后將向SPCE061A 發送一個回應脈沖,SPCE061A接到回應脈沖后將發送讀DS18B20序列號的讀ROM命令,以分別讀取三個DS18B20的序列號；然后,SPCE061A再發出定位命令以選擇在線的DS1820并進行溫度轉換。當溫度轉換完成后,SPCE061A的IOB15腳會發送DS1820的存儲命令,從而完成溫度信息數據的轉換和讀取。
2路濕度傳感器采用Honeywell公司生產的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驅動電流,寬工作溫度范圍-40℃~+85℃,穩定性好,低的溫度飄移,抗化學腐蝕性能優良。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,只需經過CPU內部的A/D轉換器將與濕度值成正比的電壓值轉換成16位數字量,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,廣泛應用在環保節能、航天等領域,用以小環境氧濃度監測。主要特點是體積小、響應快、線性好、溫漂小等特點,穩定。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＞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% 。 本系統測定的含氧量不得低于4.5%。
由于是冬季,當儲藏室環境溫度高于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。三個參數中,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驅動128段LCD顯示器,用于顯示現場的溫、濕度值、O2濃度以及故障和報警狀態。HT1621是一個128(32×4)段、內存映射、多功能、I2C接口的LCD驅動器。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據存儲。
3 軟件設計
3.1 系統任務分配
為了充分發揮操作系統在任務調度、任務管理、任務通信、時間管理和內存管理等方面的優勢,首先必須根據需要實現的功能,合理的劃分任務和分配任務的優先級。按溫濕度測控系統所要求實現的功能,將整個系統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中的任務狀態轉換如圖2所示。
圖2 μC/OS-II任務狀態轉換示意圖
多任務系統在運行時每個任務好像獨立占用CPU一樣,因此系統必須為每個任務開辟一塊內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堆棧的數據。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系統堆棧的數據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優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堆棧中的數據；⑥ 通過中斷返回指令或函數返回指令,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在每次發生中斷后都會產生任務調度,但在中斷結束后進行的任務切換,不能調用普通任務切換函數,這是因為在中斷過程中往往伴隨將CPU的狀態寄存器壓棧操作。
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狀態寄存器）,再加上PC,總共有7個CPU內部寄存器在任務切換時需要保存。μC/OS-II系統調用OSCtxSw( )來實現任務的切換。系統中并行存在的幾個任務按優先級從高到低依次是：系統監視任務、數據采集任務、數據處理任務、數據輸出任務、顯示任務。在實際系統中,每個任務都是無限循環的,分別實現某一特定的功能,由μC/OS-II內核來進行調度。系統監視任務主要完成系統可靠性的監管；數據采集任務主要完成溫度濕度氧濃度的檢測和A/D轉換；數據處理任務主要完成采集數據和設定數據的比較判定；數據輸出任務主要完成數據輸出給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的顯示。系統主程序任務流程圖如圖3所示。
圖3 系統主程序任務流程圖
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,它以源代碼的形式給出。其內核主要提供進程管理、時間管理、內存管理等服務。系統最多支持56個任務,每個任務均有一個獨有的優先級。由于其內核為搶先式,所以總是處于運行態最高優先級的任務占用CPU。系統提供了豐富的API函數,實現進程之間的通信以及進程狀態的轉化。
μC/OS-II的軟件體系結構如圖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時鐘的功能。其它文件用C寫成,它們為系統提供任務管理、任務之間通信、時間管理以及內存管理等功能。
圖4 μC/OS-II 軟件體系結構示意圖
μC/OS-II系統時鐘：以凌陽SPCE061A單片機的TMB2時基信號作為系統時鐘,每經歷一個時鐘節拍的時間將產生一次中斷,在中斷服務子程序中會調用OSTickISR()函數。
移植工作的主要內容：用#define 設置一個常量值（OS_CPU.H）;聲明10個數據類型（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（OS_CPU_C.C）；編寫4個匯編語言函數（OS_CPU_A.ASM）。
4 結論
μC/OS-II RTOS是當今嵌入式應用的熱點之一,應用RTOS提高了測控系統系統的可靠性、實時性,降低了研發周期。本文基于μC/OS-II構建的測控系統應用在漯河農業局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,完好率100%,與不使用本系統的倉儲對比減少損耗25%,約500萬公斤,直接經濟效益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,該測控系統具有較廣的應用前景。
本文創新點：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，構建了高精度、高可靠性的多傳感器嵌入式測控系統。實際工程應用表明，系統擴展性好、測控精度高、性能穩定。