基于RTX51的低壓智能配電箱的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

仝戰(zhàn)營(yíng)，毛景魁

（河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校，河南 新鄉(xiāng) 453000）

1 引言

隨著家庭智能控制系統(tǒng)深入普通用戶，無(wú)線開(kāi)關(guān)系統(tǒng)出現(xiàn)于市場(chǎng)上。先后出現(xiàn)了單路、多路遙控開(kāi)關(guān)，諸如4路無(wú)線開(kāi)關(guān)，定時(shí)開(kāi)關(guān)。此類系統(tǒng)只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)控制，由于通信的單向性，操作者無(wú)法得知開(kāi)關(guān)狀態(tài)，只能從用電設(shè)備的工作狀態(tài)得知當(dāng)前的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，更無(wú)法對(duì)開(kāi)關(guān)預(yù)約定時(shí)。因此，此類設(shè)備雖然解決了操縱開(kāi)關(guān)的不便，但卻沒(méi)有解決開(kāi)關(guān)狀態(tài)、預(yù)約定時(shí)以及通信可靠性的問(wèn)題。

為解決上述問(wèn)題，并將目前各實(shí)用功能集成為一體，采用藍(lán)牙通信，結(jié)合微控制器制作的智能低壓配電箱的控制電路框圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由以下功能模塊組成。

圖1 低壓智能配電箱硬件控制電路

1)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路，為配電箱的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用于開(kāi)通或關(guān)斷某路電源，達(dá)到控制配電的目的。

2)LCD12864液晶顯示單元。用于顯示用戶的當(dāng)前操作、當(dāng)前時(shí)間、各路開(kāi)關(guān)的狀態(tài)、定時(shí)信息等。

3)實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路。該電路為系統(tǒng)運(yùn)行提供時(shí)間基準(zhǔn)，系統(tǒng)根據(jù)此時(shí)間執(zhí)行定時(shí)動(dòng)作。

4)藍(lán)牙通信接口。采用外接藍(lán)牙模塊，設(shè)計(jì)全雙工的通信接口，與藍(lán)牙模塊通信，以便與操作終端數(shù)據(jù)交換。

5)程序下載接口。采用ISP方式下載程序，可在線燒寫(xiě)程序，為以后程序升級(jí)提供了方便的接口。

6)提示音電路。用于操作時(shí)的聲音提示或者故障報(bào)警等。

7)核心控制芯片。核心控制芯片為單片機(jī)STC12C5A60S2，管理上述的系統(tǒng)各功能模塊。

8)電源電路。采用開(kāi)關(guān)電源模塊為控制電路提供所需的電源。

9)面板按鍵。提供4個(gè)按鍵，操作者可以在面板上進(jìn)行全部操作。

圖2 控制主板原理圖

系統(tǒng)控制主板電路如圖2所示，控制核心芯片采用STC12C5A60S2，通過(guò)P0口和 P2口的 P2.1－P2.5作為L(zhǎng)CD12864液晶的接口控制線;P1.0、P1.1作為無(wú)線通信接口，用于收發(fā)遙控?cái)?shù)據(jù);P1.4－P1.7用于配電箱的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)控制線;P3.0、P3.1用于程序的ISP下載，并配置指示燈，只是當(dāng)前通信狀況。

2 操作系統(tǒng)的選擇

完成以上任務(wù)通常采用傳統(tǒng)的前后臺(tái)處理編程方式，但此種方式當(dāng)一個(gè)任務(wù)執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，容易丟失瞬時(shí)信息，從而造成不動(dòng)作或誤動(dòng)作。一個(gè)高效的單片機(jī)智能控制系統(tǒng)，不僅能夠同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)對(duì)每個(gè)任務(wù)作出實(shí)時(shí)響應(yīng)，而且，要求系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)隨機(jī)發(fā)生的外部事件，并對(duì)其作出快速處理［1］。對(duì)于這樣的系統(tǒng)應(yīng)用，采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS(RealTime－Operating System)作為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)是一個(gè)良好的選擇，它可以靈活地安排系統(tǒng)資源，簡(jiǎn)化復(fù)雜的軟件設(shè)計(jì)，加快軟件開(kāi)發(fā)的效率，大大縮短項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)周期［2］。

目前，應(yīng)用于嵌入式的操作系統(tǒng)很多，常見(jiàn)的通用型嵌入式操作系統(tǒng)有 uCLinux、VxWorks、Windows CE.net、uCOS－II等。但這些操作系統(tǒng)需要較大的RAM空間，因此，不適合于采用普通單片機(jī)控制的應(yīng)用場(chǎng)所。

RTX51是德國(guó) Keil公司開(kāi)發(fā)的一種應(yīng)用于MCS51系列單片機(jī)的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，它可以工作在所有8051單片機(jī)以及派生的系列［3］。其中，RTX51 Full支持信號(hào)傳遞、系統(tǒng)郵箱和消息傳遞。RTX51 Tiny最大允許16個(gè)任務(wù)的循環(huán)切換，支持信號(hào)傳遞，但不支持存儲(chǔ)區(qū)的分配和釋放，不支持搶先式調(diào)度?？紤]到系統(tǒng)后繼的優(yōu)化、擴(kuò)展，本文采用RTX51 Full作為系統(tǒng)的操作軟件。

3 系統(tǒng)任務(wù)

根據(jù)系統(tǒng)要求和軟件編制的需要，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)需求分析，總結(jié)控制低壓配電控制箱的控制要求，其需要完成的軟件模塊的功能主要有:遙控命令的接收和解析、面板按鍵操作、開(kāi)關(guān)定時(shí)、開(kāi)關(guān)控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、系統(tǒng)時(shí)間設(shè)定、提示音的開(kāi)關(guān)。這些軟件模塊的層次關(guān)系如圖2所示，它們不是需要同時(shí)運(yùn)行的，比如開(kāi)關(guān)控制，只有在遙控或面板操作時(shí)才會(huì)執(zhí)行。因此，將以上的功能模塊按照先后的層次關(guān)系劃分為以下幾個(gè)獨(dú)立的模塊。

基本任務(wù)有5個(gè)，分別是:遙控命令及數(shù)據(jù)的接收和解析、面板操作、液晶顯示、計(jì)時(shí)和空閑任務(wù)。它們完成的功能如下所述:

1)命令及數(shù)據(jù)的接收和解析

主要完成操作終端通過(guò)藍(lán)牙功能模塊和控制箱進(jìn)行的命令、數(shù)據(jù)交互。此模塊的主要功能是按照3.2所述的協(xié)議格式解析出操作終端的命令、數(shù)據(jù)，交由上層軟件處理。

2)面板操作

控制箱有4個(gè)按鍵，分別執(zhí)行上翻(加)、下翻(減)、確定、取消操作。具體功能根據(jù)當(dāng)前的操作命令而定。

3)液晶顯示

液晶為系統(tǒng)的輸出界面，操作者借此了解系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及數(shù)據(jù)。因此，對(duì)于不同的操作命令，需要顯示不同的界面。操作者希望操作界面友好，便于操作，這給程序設(shè)計(jì)提出了較高的要求。

12864是128*64點(diǎn)陣液晶模塊的點(diǎn)陣數(shù)簡(jiǎn)稱，適用于各類儀器，小型設(shè)備的顯示領(lǐng)域。它是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，主要由行驅(qū)動(dòng)器/列驅(qū)動(dòng)器及128×64全點(diǎn)陣液晶顯示器組成，可完成圖形顯示，也可以顯示8×4個(gè)(16×16)漢字。

根據(jù)用戶的操作習(xí)慣，將12864液晶的顯示界面制作成菜單式界面，各個(gè)可執(zhí)行的命令顯示于液晶之上。操作者通過(guò)按鍵選擇相應(yīng)的菜單進(jìn)入，并執(zhí)行所選擇的命令。

4)計(jì)時(shí)任務(wù)

控制箱必須有一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，才能完成定時(shí)動(dòng)作。這里面有2種形式的定時(shí)，一個(gè)是簡(jiǎn)單的不精確的定時(shí)，依靠單片機(jī)自身的定時(shí)器完成，主要用來(lái)作為系統(tǒng)段時(shí)間的計(jì)時(shí)，如按鍵消抖、間隔讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘等。另一個(gè)是長(zhǎng)時(shí)間精確定時(shí)，需要實(shí)時(shí)時(shí)鐘來(lái)完成。在軟件里設(shè)計(jì)一結(jié)構(gòu)體，依靠間隔讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘完成時(shí)間數(shù)據(jù)的更新，并以該數(shù)據(jù)作為開(kāi)關(guān)定時(shí)和系統(tǒng)時(shí)間的基準(zhǔn)。

5)空閑任務(wù)

系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間不進(jìn)行操作時(shí)，表明處于“空閑狀態(tài)”，此時(shí)，不必要顯示系統(tǒng)菜單，為方便使用，設(shè)計(jì)顯示系統(tǒng)時(shí)間，讓用戶可以看到當(dāng)前的時(shí)間，作為一個(gè)時(shí)鐘使用。因此，空閑任務(wù)的功能就是察看系統(tǒng)是否處于空閑，如果處于空閑階段，即切換到系統(tǒng)時(shí)間顯示的狀態(tài)。如果用戶有按鍵，則立即顯示操作菜單，以便操作者進(jìn)行功能操作。

上述5個(gè)任務(wù)需要同時(shí)獨(dú)立運(yùn)行，對(duì)于單片機(jī)來(lái)講，采用傳統(tǒng)的前后臺(tái)系統(tǒng)編寫(xiě)軟件，則顯得麻煩而不實(shí)用。綜合單片機(jī)的資源和目前運(yùn)用于單片機(jī)的操作系統(tǒng)，選擇RTX－Tiny操作系統(tǒng)對(duì)上述5個(gè)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，使之互相獨(dú)立。

4 任務(wù)編程

由于系統(tǒng)任務(wù)較多，現(xiàn)以面板操作和計(jì)時(shí)任務(wù)為例，說(shuō)明和分析系統(tǒng)軟件的編制過(guò)程。

4.1 面板操作

面板操作的任務(wù)是讀取按鍵值，并根據(jù)此按鍵值、目前菜單行，執(zhí)行操作者要求的功能，其流程如圖4所示。

圖3 控制箱軟件層次關(guān)系

按鍵任務(wù)程序不停地檢查按鍵，如果有按鍵按下，則將按鍵值轉(zhuǎn)換成可識(shí)別的按鍵字符。然后程序檢查當(dāng)前系統(tǒng)是否處于空閑狀態(tài)，如果處于空閑狀態(tài)，則不予響應(yīng)，否則，調(diào)用菜單程序，根據(jù)按鍵值執(zhí)行相應(yīng)的功能程序。

圖4 按鍵任務(wù)流程圖

按照?qǐng)D4編寫(xiě)的程序如下所示:

4.2 計(jì)時(shí)任務(wù)

計(jì)時(shí)任務(wù)首先判斷系統(tǒng)是否處于空閑狀態(tài)，然后讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘，并根據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的時(shí)間數(shù)據(jù)判斷定時(shí)時(shí)間是否到，主要流程如圖5所示。

圖5 計(jì)時(shí)任務(wù)流程

計(jì)時(shí)任務(wù)以1秒左右的時(shí)間等待超時(shí)事件，如果超時(shí)事件發(fā)生，則將空閑時(shí)間變量減一，如果空閑時(shí)間變量被減為0，則空閑時(shí)間變量重新賦默認(rèn)值(1800，30分鐘)。同時(shí)，空閑狀態(tài)置位，表明當(dāng)前操作已經(jīng)至少30分鐘沒(méi)有再進(jìn)行了，向空閑任務(wù)發(fā)送信號(hào)。如果空閑時(shí)間變量不為0，則說(shuō)明仍然在操作中，略過(guò)空閑時(shí)間的操作。

完成上述任務(wù)后，則調(diào)用時(shí)間比對(duì)函數(shù)，讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘的數(shù)據(jù)，更新系統(tǒng)時(shí)間，與各路開(kāi)關(guān)的當(dāng)前定時(shí)數(shù)據(jù)比對(duì)，如果到了定時(shí)時(shí)間，則執(zhí)行相關(guān)定時(shí)動(dòng)作，否則，繼續(xù)等待下次的時(shí)間超時(shí)事件。

按照?qǐng)D4編寫(xiě)的計(jì)時(shí)任務(wù)程序如下所示:

5 結(jié)語(yǔ)

RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)既能保證對(duì)外界的信息以足夠快的速度進(jìn)行相應(yīng)處理，又能并行運(yùn)行多個(gè)任務(wù)，具有實(shí)時(shí)性和并行性的特點(diǎn)，因此能夠很好地完成對(duì)多個(gè)信息的測(cè)量、處理和實(shí)時(shí)控制［4］，并且，RTX以其簡(jiǎn)潔高效的內(nèi)核，非常適合運(yùn)行于資源較少的單片機(jī)上。使用RTX51的多任務(wù)操作系統(tǒng)軟件完成的低壓配電箱，外圍電路少、成本低、可靠性高，軟件的編寫(xiě)和調(diào)試快捷方便、開(kāi)發(fā)周期短。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)生產(chǎn)的研丹－I型微電腦控制低壓智能配電箱已用于生產(chǎn)，實(shí)踐證明，使用RTX51實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以加快系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)速度，降低軟件編程的復(fù)雜程度，大大提高開(kāi)發(fā)效率，是一個(gè)較好的解決辦法。

［1］歐偉明，羅三定.基于RTX51的交通燈信號(hào)自適應(yīng)倒計(jì)時(shí)器［J］.機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2006，16(6):49－51.

［2］邢鵬康，胡彬.基于RTX51實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.山西電子技術(shù)，2010，(5)，50 －52.

［3］蔡林驥，李清寶.RTX51嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)分析［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2005，6(6):90 －92.

［4］胡萬(wàn)華.基于RTX51實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的激光熱處理機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.煤礦機(jī)械，2010，5(5):24 －26.