1 引言
随着嵌入式系统的广泛应用,原来单一传感器的嵌入式系统逐渐向嵌入式多传感器系统发展。由此提出了多传感器任务调度分配的问题。本文结合红薯保鲜储藏工程涉及到的温度湿度氧浓度等参数要求,采用高性能16位单片机SPCE061A作为控制芯片,移植可裁剪的多任务实时操作系统μc/OS-II管理多任务的处理,选用高精度温度传感器DS18B20、湿度传感器HIH3605、氧浓度传感器DW-02构建了一个高精度高性能高可靠性的多传感器嵌入式测控系统,各个被控参数可调范围宽,较好的满足了工程要求。系统的主要参数：工作温度：10～14℃±0.5℃;工作湿度：80～95%RH±5%;氧浓度：≮4.5%。同时,实现了温湿度数据的显示与保存;可输出温度、湿度、氧浓度等调节的控制信号,具有故障和报警状态提示等功能。
2 系统硬件设计
2.1 单片机系统设计
系统硬件电路原理框图如图1所示,主要由SPCE061A单片机、温湿度传感器、氧浓度度传感器、LCD显示电路、键盘电路、RS232通信电路、时钟电路等组成。SPCE061A是一款基于μ'nSP内核的16位单片机。
图1系统硬件电路原理框图
2.2 传感器电路设计
温度检测电路选用Dalls公司生产的三线式数字温度传感器DS18B20。该器件只有3个引脚,不需要外部元件,一条数据线进行通信。该电路的检测温度范围设计为0~+50℃;精度为0.5℃;用9bit数字量来表示温度;每次将温度转换成数字量需200ms。在单总线工作方式下,允许一条信号线上挂接多个DS18B20,DS18B20都有唯一的ROM代码。在多点温度测控系统中,ROM代码是识别和操作DS18B20的基础;无论读取还是选择对某一个传感器进行操作,SPCE061A必须发送64位ROM代码。
本系统用3块DS18B20来实现对环境温度的检测,保证在被测环境范围内,温度分布均匀,测量更加准确,使用时将DS18B20放置在被测环境的不同位置。获得温度信息时,先由SPCE061A的IOB15脚发送一个1ms的复位脉冲,以使DS18B20复位后将向SPCE061A 发送一个回应脉冲,SPCE061A接到回应脉冲后将发送读DS18B20序列号的读ROM命令,以分别读取三个DS18B20的序列号;然后,SPCE061A再发出定位命令以选择在线的DS1820并进行温度转换。当温度转换完成后,SPCE061A的IOB15脚会发送DS1820的存储命令,从而完成温度信息数据的转换和读取。
2路湿度传感器采用Honeywell公司生产的HIH3605,它为热固性聚合物电容传感器,带集成信号处理电路,5 V恒压供电, 放大线形电压输出0~5VDC对应0~100%RH(相对湿度),精度为±3%RH。低功耗设计200μA驱动电流,宽工作温度范围-40℃~+85℃,稳定性好,低的温度飘移,抗化学腐蚀性能优良。由于HIH3605为大信号输出且线性度良好,因此,可省去复杂的信号放大及整形电路,只需经过CPU内部的A/D转换器将与湿度值成正比的电压值转换成16位数字量,和标准进行比对,然后决定是进行加湿还是通风(温度适宜的风)。
2路氧浓度检测选用 DW-02型氧浓度传感器,该传感器是一种化学式的气体扩散型燃料电池,广泛应用在环保节能、航天等领域,用以小环境氧浓度监测。主要特点是体积小、响应快、线性好、温漂小等特点,稳定。主要技术指标: 响应时间≤30秒(满量程的90%) ;测量范围0～50% O2 ;温度系数>0.003% O2/℃ ;线性误差+0.2%～-0.1% O2 ;使用温度范围-20℃～+50℃ ;输出电流1.1mA+15% 。 本系统测定的含氧量不得低于4.5%。
由于是冬季,当储藏室环境温度高于14℃或湿度大于95%RH、或氧浓度低于4.5%设定值时,不能直接将冷空气送入储藏室,必须将室外空气加热到12℃送入,否则,会造成红薯受冷变质。三个参数中,最主要的是温度值,然后是湿度。继电器电路的工作情况如表1所示。
表1 继电器控制电路工作情况
2.3 键盘、显示电路及通信接口设计
系统键盘电路由3根线连接至SPCE061A的IOA0~IOA2组成,它们分别是功能键,增加键,减少键,用来实现温、湿度氧浓度的上、下限及控制时间的设置功能。测控仪采用HT1621驱动128段LCD显示器,用于显示现场的温、湿度值、O2浓度以及故障和报警状态。HT1621是一个128(32×4)段、内存映射、多功能、I2C接口的LCD驱动器。这里利用其两线串行模式与单片机接口,简化了与单片机的接口电路设计,并减少了硬件资源的占用。
为了将实时采集的氧浓度、温湿度数值保存下来,SPCE061A通过IOB7/10 RS232总线将氧浓度温湿度值传输给上位PC机,以便于主计算机完成数据存储。
3 软件设计
3.1 系统任务分配
为了充分发挥操作系统在任务调度、任务管理、任务通信、时间管理和内存管理等方面的优势,首先必须根据需要实现的功能,合理的划分任务和分配任务的优先级。按温湿度测控系统所要求实现的功能,将整个系统划分为并行存在的任务层和中断程序。μC/OS-II嵌入式实时操作系统中的任务状态转换如图2所示。
图2 μC/OS-II任务状态转换示意图
多任务系统在运行时每个任务好像独立占用CPU一样,因此系统必须为每个任务开辟一块内存空间作为该任务的任务堆栈。该堆栈的作用是保存任务被切换前时CPU各寄存器的值以及系统堆栈的数据。在进行任务切换时需要完成工作的主要步骤如下：①将当前任务CPU所有的寄存器压栈;②将CPU系统堆栈的数据全部拷贝到当前任务的任务堆栈中;③ 得到下一个处于运行态优先级最高的任务的任务堆栈的指针;④ 恢复下一个任务的CPU寄存器的值;⑤ 恢复下一个任务的系统堆栈中的数据;⑥ 通过中断返回指令或函数返回指令,间接修改PC寄存器的值来进行任务切换。在为μC/OS-II编写任务切换代码时需要注意的是：μC/OS-II在每次发生中断后都会产生任务调度,但在中断结束后进行的任务切换,不能调用普通任务切换函数,这是因为在中断过程中往往伴随将CPU的状态寄存器压栈操作。
任务切换方法：凌阳SPACE061A单片机有R1-R5 五个通用寄存器,还有1个SR(CPU状态寄存器),再加上PC,总共有7个CPU内部寄存器在任务切换时需要保存。μC/OS-II系统调用OSCtxSw( )来实现任务的切换。系统中并行存在的几个任务按优先级从高到低依次是：系统监视任务、数据采集任务、数据处理任务、数据输出任务、显示任务。在实际系统中,每个任务都是无限循环的,分别实现某一特定的功能,由μC/OS-II内核来进行调度。系统监视任务主要完成系统可靠性的监管;数据采集任务主要完成温度湿度氧浓度的检测和A/D转换;数据处理任务主要完成采集数据和设定数据的比较判定;数据输出任务主要完成数据输出给LCD、通过RS232传输给主机、以及输出控制信号给继电器电路,完成通风、加热、加湿等功能;显示任务主要完成温度湿度氧浓度参数的显示。系统主程序任务流程图如图3所示。
图3 系统主程序任务流程图
3.2 μc/OS-II的移植
μC/OS-II是一种专门为微控制器设计的抢占式实时多任务操作系统,它以源代码的形式给出。其内核主要提供进程管理、时间管理、内存管理等服务。系统最多支持56个任务,每个任务均有一个独有的优先级。由于其内核为抢先式,所以总是处于运行态最高优先级的任务占用CPU。系统提供了丰富的API函数,实现进程之间的通信以及进程状态的转化。
μC/OS-II的软件体系结构如图4所示。从图4中可以看到,如果要使用μC/OS-II, 必须为其编写OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM三个文件。这三个文件是与芯片的硬件特性有关的,它们主要提供任务切换与系统时钟的功能。其它文件用C写成,它们为系统提供任务管理、任务之间通信、时间管理以及内存管理等功能。
图4 μC/OS-II 软件体系结构示意图
μC/OS-II系统时钟：以凌阳SPCE061A单片机的TMB2时基信号作为系统时钟,每经历一个时钟节拍的时间将产生一次中断,在中断服务子程序中会调用OSTickISR()函数。
移植工作的主要内容：用#define 设置一个常量值(OS_CPU.H);声明10个数据类型(OS_CPU.H); 用#define 声明3个宏(OS_CPU.H);用C语言编写6个简单的函数(OS_CPU_C.C);编写4个汇编语言函数(OS_CPU_A.ASM)。
4 结论
μC/OS-II RTOS是当今嵌入式应用的热点之一,应用RTOS提高了测控系统系统的可靠性、实时性,降低了研发周期。本文基于μC/OS-II构建的测控系统应用在漯河农业局2000万公斤红薯储藏保鲜工程项目中,完全达到了设计的控制指标：温度10-14℃±0.5℃ ,湿度80—95%RH±2%,氧浓度≮4.5%。降低了红薯因为温度湿度氧浓度不正常造成的变质,完好率100%,与不使用本系统的仓储对比减少损耗25%,约500万公斤,直接经济效益500多万元,同时也取得了较好的社会效益。另外,该系统具有较好的可扩展性,很容易扩展到其它对温度、湿度或者氧浓度有一定要求的领域。经试验,温度测定范围可以达到-20-85℃±0.5℃;湿度20—98%RH±2%;氧浓度≮1.5%。所以,该测控系统具有较广的应用前景。
本文创新点：采用高性能SPCE061A单片机和高精度温度传感器、湿度传感器和氧浓度传感器，通过移植μC/OS-II多任务实时操作系统，构建了高精度、高可靠性的多传感器嵌入式测控系统。实际工程应用表明，系统扩展性好、测控精度高、性能稳定。