基于RTOS的太陽(yáng)能熱水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要：介紹通過(guò)在單片機(jī)內(nèi)嵌入實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)RTOS來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。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(shuō)明，對(duì)存在的多個(gè)任務(wù)進(jìn)行解釋分析，并給出實(shí)現(xiàn)主從通信所定義的幀結(jié)構(gòu)和使用I2C總線在EEPROM存儲(chǔ)器中讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的程序代碼解析。引言
隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展與壯大，越來(lái)越多的單片機(jī)在使用中實(shí)現(xiàn)了RTOS（Real Time multi-tasking Operation System）的嵌入，采用多任務(wù)機(jī)制來(lái)提高系統(tǒng)運(yùn)行的效率和縮短響應(yīng)所用的時(shí)間。由于嵌入式工業(yè)的基礎(chǔ)是以應(yīng)用中心的芯片設(shè)計(jì)和面向應(yīng)用的軟件開(kāi)發(fā)，實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)進(jìn)入嵌入式工業(yè)的意義不亞于歷史上機(jī)械工業(yè)采用三視圖的貢獻(xiàn)，對(duì)嵌入式軟件的標(biāo)準(zhǔn)化和加速知識(shí)創(chuàng)新是一個(gè)里程碑。RTOS具有下述優(yōu)點(diǎn)。
①RTOS是一個(gè)可靠性和可信性很高的實(shí)時(shí)內(nèi)核，將CPU時(shí)間、中斷、I/O、定時(shí)器等資源都包裝起來(lái)，留給用戶一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的API，并根據(jù)各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，合理地在不同任務(wù)之間分配CPU時(shí)間。
②RTOS作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)是十分可取的，基于RTOS上的C語(yǔ)言程序具有極大的可移植性。據(jù)專(zhuān)家測(cè)算，優(yōu)秀RTOS上跨處理器平臺(tái)的程序移植，只需要修改1%～5%的內(nèi)容。
③RTOS的引入，解決了嵌入式軟件開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的難題。隨著嵌入式系統(tǒng)中軟件比重不斷上升、應(yīng)用程序越來(lái)越大，對(duì)開(kāi)發(fā)人員、應(yīng)用程序接口、程序檔案的組織管理將成為一個(gè)大的課題。引入RTOS相當(dāng)于引入了一種新的管理模式，對(duì)于開(kāi)發(fā)單位和開(kāi)發(fā)人員都是一個(gè)提高。
本方案從如何更好解決小區(qū)和樓群內(nèi)居民的生活用熱水問(wèn)題出發(fā)，利用綠色環(huán)保的太陽(yáng)能為主要能量來(lái)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，充了傳統(tǒng)的獨(dú)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(yáng)能熱水控制系統(tǒng)以太陽(yáng)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(guò)循環(huán)閥進(jìn)入大水箱，再經(jīng)由重力到達(dá)小水箱，小水箱中設(shè)有輔助能源保持水溫的恒定，再通過(guò)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(dòng)控制模式判斷四個(gè)閥門(mén)（主要控制點(diǎn)）的工作狀態(tài)，也可根據(jù)需要由工作人員進(jìn)行手動(dòng)控制。工作人員通過(guò)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?xí)䦟?shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的工作情況和各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)，供工作人員參考。水箱高度和需要開(kāi)啟加熱閥門(mén)時(shí)的溫度等十二個(gè)系統(tǒng)參數(shù)，既可以在控制箱內(nèi)的操作控制面板上設(shè)置和通過(guò)顯示裝置查看，也可以在遠(yuǎn)程監(jiān)控的計(jì)算機(jī)界面上設(shè)置和查看。考慮到在北方地區(qū)的推廣，系統(tǒng)還設(shè)定了防凍循環(huán)參數(shù)以控制啟停防凍循環(huán)。太陽(yáng)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(chǎn)的單片機(jī)W77E58作為主端和從端的微處理器，由于它去除了多余的時(shí)鐘和存儲(chǔ)周期，其運(yùn)算速度比傳統(tǒng)的8051系列要快1.5～3倍。單片機(jī)中采用的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)是RTX51TNY，該操作系統(tǒng)由德國(guó)Keil公司開(kāi)發(fā)研制，大小只有800B，但理論上支持多達(dá)16個(gè)任務(wù)，任務(wù)間的協(xié)調(diào)和輪換以信號(hào)機(jī)制觸發(fā)。RTX51TNY操作系統(tǒng)允許“準(zhǔn)并行”的同時(shí)執(zhí)行幾個(gè)任務(wù)，每一個(gè)任務(wù)在預(yù)先定義好的時(shí)間片內(nèi)得以執(zhí)行。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
太陽(yáng)能熱水控制系統(tǒng)由以下幾個(gè)模塊構(gòu)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(jì)算機(jī)及其后臺(tái)服務(wù)程序。其中，從端還包括超聲測(cè)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(jiǎn)單原理，使用放大器電路實(shí)現(xiàn)，成本大大低于市場(chǎng)上流行的投入式液位計(jì)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
2.1 主控制端軟件實(shí)現(xiàn)及任務(wù)分析
系統(tǒng)的軟件主要由三部分構(gòu)成：主端程序、從端程序和利用超聲技術(shù)測(cè)水位的程序。主端程序包含在主端控制模塊當(dāng)中，它的作用是判斷系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)，通過(guò)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)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(fù)責(zé)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(cè)水位的穩(wěn)定性和精確性。其中，主控制端后臺(tái)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(gè)任務(wù)構(gòu)成其主體，一些函數(shù)的定義作為其補(bǔ)充。7個(gè)任務(wù)分別為：①初始化任務(wù)；②與串口通信任務(wù)（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(wù)（串口2負(fù)責(zé)與監(jiān)控計(jì)算機(jī)交換數(shù)據(jù)）；④⑤分別為對(duì)不同顯示區(qū)域的控制任務(wù)；⑥對(duì)硬件中斷的處理任務(wù)；⑦對(duì)傳回?cái)?shù)據(jù)的處理任務(wù)。
各個(gè)任務(wù)具體實(shí)現(xiàn)的功能如下：
①初始化任務(wù)：初始化串行接口，并開(kāi)始其余6個(gè)任務(wù)，最后刪除自身。
②串口1通信任務(wù)：主處理邏輯每隔一定的時(shí)間就通過(guò)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(guò)信號(hào)機(jī)制觸發(fā)顯示任務(wù)，顯示與從端通信挫敗的提示信息；若從端返回?zé)o誤數(shù)據(jù)，則轉(zhuǎn)入顯示任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后顯示。若經(jīng)由CRC校驗(yàn)發(fā)現(xiàn)連續(xù)若干次從端傳回?cái)?shù)據(jù)有誤，轉(zhuǎn)入顯示任務(wù)顯示數(shù)據(jù)出錯(cuò)的提示信息。
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