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。本文移植典型的實時嵌入式操作系統μc/OS-II到SPCE061高性能處理器平臺，結合工程項目對于溫度濕度氧濃度的要求，構建了實時嵌入式多傳感器測控系統。

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路氧濃度檢測選用 DW-02型氧濃度傳感器，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。

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。進行任務切換的步驟如下：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。

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。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。

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。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。