摘要：介紹通過在單片機內嵌入實時多任務操作系統(tǒng)RTOS來實現(xiàn)太陽能熱水控制系統(tǒng)的設計。文中包含主控制端（主端）與數(shù)據(jù)采集端（從端）的功能模塊圖及說明，對存在的多個任務進行解釋分析，并給出實現(xiàn)主從通信所定義的幀結構和使用I2C總線在EEPROM存儲器中讀寫數(shù)據(jù)的程序代碼解析。

引言

隨著嵌入式技術的發(fā)展與壯大，越來越多的單片機在使用中實現(xiàn)了RTOS（Real Time multi-tasking Operation System）的嵌入，采用多任務機制來提高系統(tǒng)運行的效率和縮短響應所用的時間。由于嵌入式工業(yè)的基礎是以應用中心的芯片設計和面向應用的軟件開發(fā)，實時多任務操作系統(tǒng)進入嵌入式工業(yè)的意義不亞于歷史上機械工業(yè)采用三視圖的貢獻，對嵌入式軟件的標準化和加速知識創(chuàng)新是一個里程碑。RTOS具有下述優(yōu)點。

①RTOS是一個可靠性和可信性很高的實時內核，將CPU時間、中斷、I/O、定時器等資源都包裝起來，留給用戶一個標準的API，并根據(jù)各個任務的優(yōu)先級，合理地在不同任務之間分配CPU時間。

②RTOS作為軟件開發(fā)平臺是十分可取的，基于RTOS上的C語言程序具有極大的可移植性。據(jù)專家測算，優(yōu)秀RTOS上跨處理器平臺的程序移植，只需要修改1%～5%的內容。

    ③RTOS的引入，解決了嵌入式軟件開發(fā)標準化的難題。隨著嵌入式系統(tǒng)中軟件比重不斷上升、應用程序越來越大，對開發(fā)人員、應用程序接口、程序檔案的組織管理將成為一個大的課題。引入RTOS相當于引入了一種新的管理模式，對于開發(fā)單位和開發(fā)人員都是一個提高。

本方案從如何更好解決小區(qū)和樓群內居民的生活用熱水問題出發(fā)，利用綠色環(huán)保的太陽能為主要能量來源，以樓為單位綜合控制，為用戶提供生活熱水。這不僅方便了生活，摒充了傳統(tǒng)的獨立式熱水器存在的安全隱患，也便于業(yè)主集中管理和規(guī)劃。

1 系統(tǒng)工作概況

本太陽能熱水控制系統(tǒng)以太陽能為能源，加熱位于戶外屋頂上集熱器中的水。被加熱升溫后的水，通過循環(huán)閥進入大水箱，再經由重力到達小水箱，小水箱中設有輔助能源保持水溫的恒定，再通過升壓裝置將熱水送到各家各戶。該系統(tǒng)在缺省狀態(tài)下，以自動控制模式判斷四個閥門（主要控制點）的工作狀態(tài)，也可根據(jù)需要由工作人員進行手動控制。工作人員通過主端的操作控制面板完成人與系統(tǒng)的交互。位于面板上的顯示屏會實時顯示系統(tǒng)的工作情況和各項參數(shù)數(shù)據(jù)，供工作人員參考。水箱高度和需要開啟加熱閥門時的溫度等十二個系統(tǒng)參數(shù)，既可以在控制箱內的操作控制面板上設置和通過顯示裝置查看，也可以在遠程監(jiān)控的計算機界面上設置和查看。考慮到在北方地區(qū)的推廣，系統(tǒng)還設定了防凍循環(huán)參數(shù)以控制啟停防凍循環(huán)。太陽能熱水智能控制系統(tǒng)示意圖如圖1所示，其中控制箱即為主控制端（主端），數(shù)據(jù)采集端（從端）位于大水箱上方。

    系統(tǒng)采用華邦公司生產的單片機W77E58作為主端和從端的微處理器，由于它去除了多余的時鐘和存儲周期，其運算速度比傳統(tǒng)的8051系列要快1.5～3倍。單片機中采用的實時多任務操作系統(tǒng)是RTX51TNY，該操作系統(tǒng)由德國Keil公司開發(fā)研制，大小只有800B，但理論上支持多達16個任務，任務間的協(xié)調和輪換以信號機制觸發(fā)。RTX51TNY操作系統(tǒng)允許“準并行”的同時執(zhí)行幾個任務，每一個任務在預先定義好的時間片內得以執(zhí)行。

2 系統(tǒng)結構

太陽能熱水控制系統(tǒng)由以下幾個模塊構成：主控制端處理模塊（即主端）、數(shù)據(jù)采集端模塊（即從端）、監(jiān)控計算機及其后臺服務程序。其中，從端還包括超聲測水位器件模塊，該器件利用超聲聲波接觸到水面后反射的簡單原理，使用放大器電路實現(xiàn)，成本大大低于市場上流行的投入式液位計。系統(tǒng)的結構框圖如圖2所示。

2.1 主控制端軟件實現(xiàn)及任務分析

系統(tǒng)的軟件主要由三部分構成：主端程序、從端程序和利用超聲技術測水位的程序。主端程序包含在主端控制模塊當中，它的作用是判斷系統(tǒng)當前工作狀態(tài)，通過對所采集的數(shù)據(jù)進行處理和分析得到該如何繼續(xù)控制系統(tǒng)的指令。從端程序負責處理采集的數(shù)據(jù)，并發(fā)送提交給主處理程序，超聲部分的程序保證超聲模塊測水位的穩(wěn)定性和精確性。其中，主控制端后臺處理模塊是系統(tǒng)的主要部分，占據(jù)了絕大部分的代碼量，控制系統(tǒng)的指令大都由這里給出，下面著重介紹這一部分。

主端功能模塊示意圖如圖3所示。

主處理邏輯由7個任務構成其主體，一些函數(shù)的定義作為其補充。7個任務分別為：①初始化任務；②與串口通信任務（串口1接收從數(shù)據(jù)采集端發(fā)回的數(shù)據(jù)）；③與串口2通信任務（串口2負責與監(jiān)控計算機交換數(shù)據(jù)）；④⑤分別為對不同顯示區(qū)域的控制任務；⑥對硬件中斷的處理任務；⑦對傳回數(shù)據(jù)的處理任務。

    各個任務具體實現(xiàn)的功能如下：

①初始化任務：初始化串行接口，并開始其余6個任務，最后刪除自身。

②串口1通信任務：主處理邏輯每隔一定的時間就通過串口1向數(shù)據(jù)采集端發(fā)送查詢幀查詢數(shù)據(jù)，發(fā)送一定次數(shù)后仍未收到從端數(shù)據(jù)者，通過信號機制觸發(fā)顯示任務，顯示與從端通信挫敗的提示信息；若從端返回無誤數(shù)據(jù)，則轉入顯示任務進行數(shù)據(jù)處理后顯示。若經由CRC校驗發(fā)現(xiàn)連續(xù)若干次從端傳回數(shù)據(jù)有誤，轉入顯示任務顯示數(shù)據(jù)出錯的提示信息。

③串口2通信任務：由于監(jiān)視該系統(tǒng)運行的工作人員需要通過一些參數(shù)的變化來實時了解當前系統(tǒng)工作的情況，這些參數(shù)包括各個閥門的狀態(tài)、水箱的水位、各個傳感器當前的溫度等，所以該系統(tǒng)中使用一個串口來向監(jiān)控計算機提交數(shù)據(jù)。每隔一定時間監(jiān)控計算機便發(fā)送查詢幀，該查詢幀分兩，一類是查詢閥門狀態(tài)，另一類查詢水位和溫度，主控端按其要求的數(shù)據(jù)種類填充該幀后回送。

④控制顯示區(qū)任務1：LED顯示屏分為上下兩行，上面一行為區(qū)域1，下面一行為區(qū)域2。區(qū)域1負責顯示當前系統(tǒng)中水箱水位，大小水箱溫度等參數(shù)，每屏顯示參數(shù)中的一個，停留一段時間后顯示下一個，如此循環(huán)反復，操作人員可在此查看系統(tǒng)中參數(shù)的具體值從而做出控制判斷。

⑤控制顯示區(qū)任務2：區(qū)域2顯示的是系統(tǒng)運行中，當前各個閥門的工作狀態(tài)。系統(tǒng)設置了以手動和自動兩種方式操縱四個閥門，用有否提示音來進行區(qū)分。這個區(qū)域還負責顯示各種提示信息或者出錯信息，如果溫度傳感器或超聲探頭傳回的數(shù)據(jù)有誤，都在這里給出報錯字樣，并表明是哪部分出了問題，便于工作人員及時檢修排隊故障。

⑥硬件中斷處理任務：在控制臺的表面分布著14個按鍵用以操縱和控制系統(tǒng)，每按下一個鍵，系統(tǒng)該做出何種反應就由此任務掌管。由16位輸入4位輸出的編碼器得到按鍵編碼，在這里分十四種情況轉入不同的程序段進行處理。

⑦對傳回數(shù)據(jù)的處理任務：在與串口1的通信任務中，系統(tǒng)從串口1收到的數(shù)據(jù)如果是無誤的，則進入此任務。該任務對系統(tǒng)中主要存在四種動作，即加水、加熱、循環(huán)和回水，分別分為手動和自動兩種工作狀態(tài)，計算系統(tǒng)中實時改變的數(shù)據(jù)該如何影響和決定當前系統(tǒng)的動作。

2.2 數(shù)據(jù)采集端功能模塊圖

在數(shù)據(jù)采集端，溫度的采集包括對屋頂集熱器溫度的采集，對恒溫小水箱溫度的采集，對大小箱溫度的采集和對輸水管網中某點溫度的采集。數(shù)據(jù)采集邏輯間接控制循環(huán)閥門、回水閥門、加熱閥門、加水閥門。數(shù)據(jù)采集端的功能模塊圖如圖4所示（虛線部分表示對閥門的間接控制）。

3 通信幀格式

主控制端所實時顯示和進行處理的數(shù)據(jù)要靠數(shù)據(jù)采集端進行采集后發(fā)回，兩者之間的通信通過RS485接口，采用定義幀結構的方式來實現(xiàn)。

在程序中，我們靠對幀類型的區(qū)分和判斷，共定義了七種代表不同含義的幀，分別是：①主控制端向數(shù)據(jù)采集端發(fā)送的數(shù)據(jù)查詢幀；②數(shù)據(jù)采集端向主控制端回送的溫度水位等數(shù)據(jù)幀；③監(jiān)控計算機端向主控制端發(fā)送的查詢閥門狀態(tài)幀；④監(jiān)控計算機向主控制端發(fā)送的查詢溫度水位等數(shù)據(jù)幀；⑤主控制端向監(jiān)控計算機回送的閥門狀態(tài)幀；⑥主控制端向監(jiān)控計算機回送的數(shù)據(jù)幀；⑦監(jiān)控計算機端設置參數(shù)告知主控制端幀。若某一幀是傳送數(shù)據(jù)的幀，則data1～dada7的7個字節(jié)中依次填充大水箱水位、小水箱水溫、大小箱水溫、屋頂集熱器中水溫（3個采集點）和采集點處的水溫。若某一幀作為傳送當前閥門狀態(tài)的幀，則用7個字節(jié)中的前4個來分別表示進水閥、回水閥、加熱閥和循環(huán)閥是打開狀態(tài)還是閉合狀態(tài)。幀結構的格式如圖5所示。

除此之外，還可以按照設計的需要自行增加幀的類型，以實現(xiàn)更為復雜的通信。

4 系統(tǒng)外存儲器EEPROM

由于控制中經常會涉及到參數(shù)的更改，為了使掉電后不影響系統(tǒng)的運行，即需要參數(shù)能夠重現(xiàn)，系統(tǒng)采用帶有I2C總線接口的EEPROM 2402芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和讀取。讀和寫分別調用的兩個函數(shù)如下：

unsigned char eepromread(unsigned char beginbyte){

unsigned char data result;

unsigned char i;

EA=0;

i=RW24XX(&result,1,beginbyte,READ_OP,M2402);

EA=1;

return(result);

}

/******************************************************

unsigned char i;

EA=0;

i=RW24XX(&datum,beginbyte,WRITE_OP,M2402);

EA=1;

}

可以看出，函數(shù)RW24XX是對EEPROM外存儲芯片操作的主體函數(shù)，這里給出該函數(shù)中包含參數(shù)的定義：

bit RW24XX(unsigned char *DataBuff,unsigned char ByteQuantity,unsigned int Address,unsigned char ControlByte,enum eepromtype EepromType)

其中，DataBuff為讀寫數(shù)據(jù)輸入輸出緩沖區(qū)的首地址，ByteQuantity為要讀寫數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，Address為EEPROM芯片的片內地址，ControlByte是EEPROM的控制字節(jié)，具體形式為（1）（0）（1）（0）（A2）（A1）（A0）（R/W），其中R/W=1，表示讀操作，R/W=0為寫操作，A2、A1、A0為EEPROM的頁選或片選地址；EepromType為枚舉變量，需為M2401～M24256中的一種，分別對應24C01～24C256，本系統(tǒng)中為M2402；函數(shù)返回值為一個位變量，若返回1表示此次操作失效，0表示操作成功；ERRORCOUNT為允許最大次數(shù)，若出現(xiàn)ERRORCOUNT次操作失效后，則函數(shù)中止操作，并返回1。

圖5

    在該函數(shù)中，調用的若干I2C總線函數(shù)如下：

void IICStart(void);

void IICStop(void);

bit IICRecAck(void);

void IICNoAck(void);

void IICAck(void);

unsigned char IICReceiveByte(void);

void IICSendByte(unsigned char sendbyte);

結語

本系統(tǒng)結構簡單，操作方便，擁有手動和自動兩種控制模式，具有一定的智能性；既可現(xiàn)場控制，又可遠程控制；能根據(jù)現(xiàn)場狀況，合理地調節(jié)控制狀態(tài)。另外，利用RTX51TNY實時操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)特征，可以簡化多任務程序設計，滿足多個任務的時間特性要求。基于實時多任務操作系統(tǒng)，可以將各任務進行細分饈，使各任務保持相對獨立；能有效改善程序結構，便于模塊化處理，使程序的可讀性、可維護性和可移植性都得到進一步提高。