51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的溫控器設(shè)計(jì)

目前，8位單片機(jī)在測(cè)控領(lǐng)域和智能化電子產(chǎn)品應(yīng)用中仍占有重要地位．而應(yīng)用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(ERTOS)會(huì)對(duì)8位單片機(jī)的軟件開(kāi)發(fā)帶來(lái)極大方便。在此簡(jiǎn)要介紹嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及其在程序設(shè)計(jì)中的優(yōu)越性，重點(diǎn)介紹了適合于小RAM單片機(jī)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Small RTOS51，以及基于8位單片機(jī)的硬件和軟件的設(shè)計(jì)方法和過(guò)程。

1 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Small RTOS51簡(jiǎn)介
嵌入式系統(tǒng)已成為當(dāng)今的熱門(mén)話題之一，從消費(fèi)類電子產(chǎn)品到各種工業(yè)設(shè)備，嵌入式系統(tǒng)已滲透到日常生活的各個(gè)角落。對(duì)于嵌人式系統(tǒng)，一個(gè)重要的特征是實(shí)時(shí)性，即在確定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的功能，并能對(duì)外部異步事件做出正確響應(yīng)。確保系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，需要軟硬件配合來(lái)完成，首先必須保證硬件處理速度滿足實(shí)時(shí)要求，而對(duì)于軟件，就是采用與之相適應(yīng)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(Embedded Real_TimeOperating System，ERTOS)。
采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(ERTOS)，能夠保證系統(tǒng)中任務(wù)切換的實(shí)時(shí)性，事件響應(yīng)時(shí)間的確定性及系統(tǒng)的高可靠性，同時(shí)，ERTOS將用戶應(yīng)用程序看成是其上運(yùn)行的多個(gè)任務(wù)，這就為程序的編寫(xiě)、調(diào)試和系統(tǒng)功能的擴(kuò)展提供了極大方便，并且由于ERTOS的使用，客觀上使得應(yīng)用軟件與下層硬件環(huán)境無(wú)關(guān)，便于嵌入式軟件的移植，從而可以大大降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本和開(kāi)發(fā)周期。目前，已推出的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有很多種，比較常用的有VxWorks，WinCE，VRTX，pSOS，Palm OS，嵌入式Linux，Delta OS等。對(duì)于8051系列單片機(jī)，由于具有很少的RAM和ROM，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，比較適合于這種單片機(jī)操作系統(tǒng)是Small RTOS51，它使用Keil C51所帶得RTX Tiny的堆棧管理機(jī)制，并和μC／OS-Ⅱ一樣是搶占式的。目前，Small RTOS的最新版本為1．20．3，可以支持任務(wù)的動(dòng)態(tài)建立與刪除，支持C51的重入函數(shù)，支持動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配等。

2 嵌入式溫控器
2．1 嵌入式溫控器的結(jié)構(gòu)及原理
由Small RTOS51實(shí)現(xiàn)的基于8位單片機(jī)的溫控器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。單片機(jī)作為控制核心，負(fù)責(zé)讀取溫度傳感器的溫度，并輸出至LED顯示器顯示，按鍵用來(lái)設(shè)置溫控器的溫度，當(dāng)溫度超限時(shí)由輸出控制部分輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)繼電器或者報(bào)警裝置，電源部分為整個(gè)系統(tǒng)供電。
2．2 嵌入式溫控器硬件電路
由于溫控器的外圍電路比較簡(jiǎn)單，主控器所需的輸入／輸出口不多，故采用Atmel公司的AT89C2051，溫度傳感器采用美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司的DS18B20，其數(shù)據(jù)信號(hào)線接微控制器P3．7，LED顯示器采用4個(gè)共陰極數(shù)碼管構(gòu)成，由4個(gè)串入并出的移位寄存器74LS164驅(qū)動(dòng)，采用靜態(tài)顯示方式，P1．1作為L(zhǎng)ED顯示器的串行數(shù)據(jù)輸入，P1．0作為L(zhǎng)ED顯示器的串行時(shí)鐘輸入，輸出控制信號(hào)由P1．7輸出，控制PNP型晶體管，另外設(shè)置4個(gè)按鍵分別連接微控制器的P3．2～P3．5，其硬件電路如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 任務(wù)的分解劃分
任務(wù)的劃分包括確定哪些變換屬于哪個(gè)任務(wù)，以及確定各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。具體劃分原則可參考文獻(xiàn)[1]。根據(jù)任務(wù)劃分的原則以及嵌入式溫控器的具體功能，本系統(tǒng)將任務(wù)分解劃分為按鍵顯示處理，溫度測(cè)量，和輸出執(zhí)行3個(gè)任務(wù)。
3．2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序設(shè)計(jì)和各任務(wù)程序設(shè)計(jì)。
該設(shè)計(jì)主程序流程圖如圖3所示。主程序進(jìn)行初始化以后，順序建立3個(gè)任務(wù)，進(jìn)入CPU休眠狀態(tài)，各個(gè)任務(wù)運(yùn)行后，首先進(jìn)入任務(wù)休眠狀態(tài)，等待相應(yīng)任務(wù)的喚醒，任務(wù)被喚醒以后，進(jìn)行相應(yīng)處理，再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。各個(gè)任務(wù)均采用無(wú)限循環(huán)結(jié)構(gòu)，其形式如下：

任務(wù)喚醒用函數(shù)OSTaskResume(TASK_ID)來(lái)完成。在KeilμVision 2下建立工程，編輯相應(yīng)的頭文件config．h，并對(duì)OS_CFG．h和OS_CPU．h的有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，進(jìn)行編譯直到成功為止。

4 結(jié) 語(yǔ)
根據(jù)嵌入式溫控器的硬件電路，利用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Small RTOS51對(duì)其進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，KeilμVision 2建立工程并進(jìn)行編譯，下載代碼后溫控器工作正常。對(duì)于現(xiàn)在仍然使用廣泛的8位單片機(jī)，采用Small RTOS51進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，既簡(jiǎn)單又方便。利用中斷、信號(hào)量、消息隊(duì)列，可以實(shí)現(xiàn)更多功能和作用；另外實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有多種，但其原理類似，懂得了其中之一，可以舉一反三，理解和應(yīng)用其他嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。