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1 引言

隨著嵌入式系統(tǒng) EOS 應(yīng)用的日益廣泛，控制系統(tǒng)的規(guī)模和難度也隨之加大，對(duì)嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)效率的要求也越來越高，像 μcos，Lin-ux，RTX 等，尤其 RTX 和 μcos 更加突出其實(shí)時(shí)性，在稱重控制行業(yè)，越來越多的稱重控制儀表都采用嵌入式操作系統(tǒng)，在沒有操作系統(tǒng)支持的情況下，多任務(wù)調(diào)度成為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)造上的重要難題 [1] 。比起傳統(tǒng)在單片機(jī)上運(yùn)行程序，它的運(yùn)行效率更高，穩(wěn)定性更好，實(shí)時(shí)性更好，同時(shí)也便于對(duì)產(chǎn)品軟件進(jìn)行維護(hù)，相比傳統(tǒng)單片機(jī)裸奔，運(yùn)用 RTX 開發(fā)稱重控制儀表具有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

●可搶占的任務(wù)調(diào)度—— — 根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)用，從而確保了更好的程序流和稱重事件響應(yīng)；

●多任務(wù)——— 任務(wù)調(diào)度會(huì)產(chǎn)生同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)的效應(yīng)；

●確定性的行為——— 在定義的時(shí)間內(nèi)處理事件和中斷；

●較短的 ISR——— 實(shí)現(xiàn)更加確定的中斷行為；

●任務(wù)間通信——— 管理多個(gè)任務(wù)之間的數(shù)據(jù)、內(nèi)存和硬件資源共享；

●自定義的堆棧使用——— 每個(gè)任務(wù)分配一個(gè)定義的堆棧空間，從而實(shí)現(xiàn)可預(yù)測(cè)的內(nèi)存使用；

●系統(tǒng)管理——— 可以專注于應(yīng)用程序開發(fā)而不是資源管理 （ 內(nèi)務(wù)處理 ）。

2  RTX 內(nèi)核簡(jiǎn)介及稱重儀表的原理

2.1 RTX內(nèi)核構(gòu)架

Keil RTX定性為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) RTOS，適用于ARM核和 Cortex- M3 內(nèi)核的設(shè)備。

●任務(wù)調(diào)度 Scheduler，完成任務(wù)間的切換和中斷的嵌套；

●互斥事件 Mutex，當(dāng)共享內(nèi)部資源時(shí)，設(shè)置互斥標(biāo)志，可以防止共享沖突；

●內(nèi)存分頻 MemoryPool，任務(wù)通過調(diào)用內(nèi)存管理，分配和釋放內(nèi)存，節(jié)約空間；

●郵箱管理 Mailbox，可通過郵箱管理，在任務(wù)與任務(wù)間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；

●延時(shí)間隔 Delay&Interval，通過延時(shí)間隔調(diào)用，提高運(yùn)行的實(shí)時(shí)性；

●事件信號(hào) Event&Semaphore，實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的等待執(zhí)行。

2.2 稱重儀表原理

稱重儀部件主要完成稱重?cái)?shù)據(jù)采集、稱重?cái)?shù)據(jù)顯示、參數(shù)存儲(chǔ)、按鍵輸入、還包含串口通訊、IO 控制、打印輸出等一系列任務(wù)，這些任務(wù)的執(zhí)行都有一套參考標(biāo)準(zhǔn)，即必須嚴(yán)格按照 GB/T 7724- 2008 《電子稱重儀表》[2] 和GB/T 23111- 2008 《 非自動(dòng)衡器》[3] 來處理數(shù)據(jù)。

2.2.1 ARM CortexM3 的處理器

它有 1 個(gè) 128KB Flash，1 個(gè) 20KB SRAM，4個(gè) 16 位定時(shí)器，100 個(gè)可編程的 I/O 引腳，具有I2C、SPI、USB、15SART和 CAN接口，2 路 10 通道 12 位A/D 轉(zhuǎn)換器，RTC 功能模塊，WDT 功能和高級(jí)電源管理功能，最高支持 72MHz 主頻；提高 CPU的運(yùn)行速率。

2.2.2  AD稱重?cái)?shù)據(jù)采集

稱重?cái)?shù)據(jù)采集的是 0mV~10mV 稱重傳感器電橋信號(hào)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)儀表時(shí)一般選擇帶內(nèi)部增益放大器的 AD，或者在傳感器和 AD 設(shè)備之間增加一道信號(hào)放大環(huán)節(jié)，這樣可以幫助我們采集到更多的有用信號(hào)。本方案我們選擇 24bit 高精度Σ- Δ 型自帶內(nèi)部增益放大的 AD轉(zhuǎn)換器。

2.2.3 顯示器

一般常用七段數(shù)碼管，也有采用點(diǎn)陣液晶，點(diǎn)陣液晶可以顯示中文，方便 HMI 交互。

2.2.4 存儲(chǔ)器件

市場(chǎng)上的存儲(chǔ)器很多，目前較流行的是電擦除的 AT24CXX 系列，我們采用鐵電 FM24CXX 的存儲(chǔ)器，鐵電的速率比 AT24CXX 電擦除的要快，而且無擦寫次數(shù)限制，使用壽命更長(zhǎng)。

2.2.5 實(shí)時(shí)時(shí)鐘

實(shí)時(shí)時(shí)鐘可以提供準(zhǔn)確的運(yùn)行時(shí)間總和，可以用于實(shí)時(shí)打印和實(shí)時(shí)監(jiān)控記錄，方便根據(jù)日期調(diào)出數(shù)據(jù)等。

2.2.6  IO擴(kuò)展

由于 MCU 的 IO 管腳驅(qū)動(dòng)能力的限制，而帶動(dòng)設(shè)備通常不僅需要增加驅(qū)動(dòng)能，還要防止設(shè)備對(duì) CPU 的干擾，一般我們采用光隔離或磁隔離去驅(qū)動(dòng) MOS 管或繼電器，這樣設(shè)備的運(yùn)行干擾就相對(duì)小很多，而且能增加驅(qū)動(dòng)設(shè)備的能力。

2.2.7 串口通訊

串口設(shè)計(jì)為了提高 EMC 特性和對(duì)外部的抗干擾，這里常選擇 ADI 磁隔離器件，串口通訊一般有標(biāo)準(zhǔn) RS232/RS485 信號(hào)，工業(yè)比較流行的總線還有 Profibus- DP 和 CAN 總線，主要用于與 PLC、DCS等外設(shè)數(shù)據(jù)交互，控制和打印信息的輸出。

3 實(shí)時(shí)稱重系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

任務(wù)分配完后必須根據(jù)需要分配優(yōu)先級(jí)，比如想要得到較高的按鍵響應(yīng)，可以把任務(wù) 1 的優(yōu)先級(jí)設(shè)為最高，但是本文主要是分析稱重?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，所以我們需要將任務(wù) 3 的優(yōu)先級(jí)設(shè)為最高，這樣可以以最快的響應(yīng)速度處理稱重?cái)?shù)據(jù)。

注解1 ：配置 ARM7 內(nèi)核的時(shí)鐘和外設(shè)等信息，以保證外設(shè)的正確運(yùn)行。

注解2 ：RTX 內(nèi)核的初始化，包含內(nèi)核時(shí)鐘，堆棧，任務(wù)數(shù)量等的分配，并創(chuàng)建第一個(gè)任務(wù)。

注解3 ：“__task void Task0_init()”任務(wù)作用是根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建用戶任務(wù)，流程圖上的 os_tsk_create (Task1_Key,13)， 就 是 創(chuàng) 建 了以Task1_Key 為函數(shù)名的任務(wù) 1，并且分配了其優(yōu)先級(jí)為 13，而且把創(chuàng)建任務(wù)時(shí)的任務(wù)序號(hào)存放在以TID_ 為前綴的變量里面，這是因?yàn)橐院髮?duì)任務(wù)的操作都需要用到此任務(wù)序號(hào)，這個(gè)序號(hào)是 RTX 內(nèi)核自動(dòng)分配的，具有唯一性。

注解4 ：多任務(wù)的調(diào)度和切換詳見 3.2 章節(jié)舉例說明。

注解5 ：RTX 系統(tǒng)自帶的任務(wù)當(dāng) TCB（ 任務(wù)管理器 ） 列表內(nèi)無就緒可執(zhí)行任務(wù)，內(nèi)核暫時(shí)會(huì)切換執(zhí)行空閑任務(wù)。

注解6 ：中斷入口函數(shù)。

注解7 ：用戶函數(shù)可以根據(jù)用戶需要任意增加和減少，RTX內(nèi)核任務(wù)最大可運(yùn)行 255 個(gè)。

3.2 任務(wù)切換舉例

任務(wù)的切換是要通過內(nèi)核 TCB 來管理的，假如當(dāng)前正在運(yùn)行任務(wù) 2“Void Task2_Disp()” ，此時(shí)AD 轉(zhuǎn)換完成，給 CPU 發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)進(jìn)入中斷，中斷的任務(wù)就是告訴 RTX 內(nèi)核，任務(wù) 3“Void Task2_Disp()”已經(jīng)就緒，內(nèi)核則會(huì)判斷任務(wù) 3 的優(yōu)先級(jí)是否比任務(wù) 2 優(yōu)先級(jí)高，如果是，則重新分配任務(wù)，把顯示任務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)壓入顯示任務(wù)的堆棧，再把數(shù)據(jù)采集任務(wù)的信息從數(shù)據(jù)采集任務(wù)的堆棧中恢復(fù)到 MCU 工作寄存器中，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集任務(wù)，而顯示任務(wù)則被掛起暫停，直到任務(wù) 3 完成，把 CPU 控制權(quán)釋放。

4 需要注意的問題

在應(yīng)用 RTX時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

4.1 盡可能不使用循環(huán)任務(wù)切換。如果由os_dly_wait()函數(shù)來進(jìn)行任務(wù)觸發(fā)，則不需要保存任務(wù)內(nèi)容。由于正處于等待運(yùn)行的任務(wù)并不需要等待全部循環(huán)切換時(shí)間結(jié)束，因此 os_dly_wait()函數(shù)可以改進(jìn) RTX 內(nèi)核系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，更加突出實(shí)時(shí)效果。

4.2 如果使用時(shí)間片，不要將時(shí)鐘節(jié)拍中斷速率設(shè)置得太高或太低，設(shè)定為一個(gè)較低的數(shù)值在增加每秒的時(shí)鐘節(jié)拍個(gè)數(shù)的同時(shí)會(huì)增加 RTX 內(nèi)核調(diào)度所產(chǎn)生的開銷，因?yàn)槊看螘r(shí)鐘節(jié)拍中斷大約需要 100 個(gè) ~200 個(gè) CPU周期；也不可將時(shí)鐘節(jié)拍率太高，否則會(huì)增加中斷響應(yīng)時(shí)間，導(dǎo)致中斷響應(yīng)不及時(shí)，所以個(gè)人建議不使用時(shí)間片任務(wù)切換。我們做軟件的時(shí)候，可以在有較大數(shù)據(jù)量處理的任務(wù)中間穿插 os_dly_wait()函數(shù)，以便其它任務(wù)得到響應(yīng)，又不影響本次任務(wù)的運(yùn)行。

4.3 _alloc_box()函數(shù)比較方便的根據(jù)需要隨時(shí)分配內(nèi)存給任務(wù)，但是當(dāng)我們使用完本次內(nèi)存后一定要利用 _free_box()釋放內(nèi)存，否則不停的被創(chuàng)建內(nèi)存而不去釋放，那么運(yùn)行時(shí)間一長(zhǎng)，內(nèi)存占用達(dá)到飽和，內(nèi)存溢出了直接會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，這個(gè)錯(cuò)誤是致命性的，而且有時(shí)候不容易被發(fā)現(xiàn)，是一個(gè)隱患。

4.4 每一個(gè)任務(wù)必須都是一個(gè)死循環(huán)，例如：

__task void Task1_key (void)

{

 /* 添加任務(wù)變量，給設(shè)備初始化 */

os_itv_set(2); /* 設(shè)置本任務(wù)每 20ms 發(fā)生一次 */

while(1)

{

KeyManage(); /* 按鍵掃描和處理 */

os_itv_wait()； /* 等待下一個(gè) 20ms 的到來 */

}

}

如果沒有 while(1)把 PC 指針控制在 Task1_key(void)，那么當(dāng)運(yùn)行完一次任務(wù)后，PC 指針就會(huì)跑飛，程序就會(huì)亂掉，直接導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

4.5 稱重過程是一個(gè)強(qiáng)實(shí)時(shí)過程，需要 CPU及時(shí)采集秤臺(tái)過程的數(shù)據(jù)并快速分析有效數(shù)據(jù)，從而計(jì)算其重量。如果 CPU 速度過慢或者程序邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，必然會(huì)導(dǎo)致儀表在穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)稱重控制方面的不足 [4] ，所以必要時(shí)我們可以把稱重?cái)?shù)據(jù)采集任務(wù)的優(yōu)先級(jí)設(shè)為最高。

5 結(jié)論

本文介紹了多任務(wù)的創(chuàng)建、切換和并發(fā)多任務(wù)運(yùn)行，并分析了 RTX高效率數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，RTX 內(nèi)核一旦接收到事件響應(yīng)，可以在最短的時(shí)間內(nèi)去處理，這樣，提高采集效率的同時(shí)又可以提高控制的實(shí)時(shí)性。而不像傳統(tǒng)程序只能順序執(zhí)行完一圈后才能被響應(yīng)。任務(wù)切換是 RTX 的一個(gè)基本服務(wù)，在實(shí)際應(yīng)用中還要對(duì)任務(wù)切換時(shí)的堆棧管理有一定了解，這樣才能更好地掌握任務(wù)切換的機(jī)制。且每個(gè)任務(wù)都可以隨時(shí)被創(chuàng)建和刪除，不僅可以把暫時(shí)不用的任務(wù)先從 TCB 中抽出掛起，也可以當(dāng)再次需要的時(shí)候再把它拉入運(yùn)行 TCB 列表。本文只提到了幾個(gè)運(yùn)用 RTX 設(shè)計(jì)稱重儀表的關(guān)鍵點(diǎn)，希望對(duì)同類系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。

 

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