基于RTOS的太陽能熱水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

　　隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展與壯大，越來越多的單片機(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)制來提高系統(tǒng)運(yùn)行的效率和縮短響應(yīng)所用的時(shí)間。RTOS具有下述優(yōu)點(diǎn)。

　?、?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/RTOS">RTOS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，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。

　?、赗TOS作為軟件開發(fā)平臺(tái)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(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。

　?、跼TOS的引入，解決了嵌入式軟件開發(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)用程序越來越大，對(duì)開發(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)于開發(fā)單位和開發(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(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(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(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)?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。水箱高度和需要開啟加熱閥門時(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?？紤]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Keil公司開發(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：

　?、俪跏蓟蝿?wù)：初始化串行接口，并開始其余6個(gè)任務(wù)，最后刪除自身。

　?、诖?通信任務(wù)：主處理邏輯每隔一定的時(shí)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(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。

　?、鄞?通信任務(wù)：由于監(jiān)視該系統(tǒng)運(yùn)行的工作人員需要通過一些參數(shù)的變化來實(shí)時(shí)了解當(dāng)前系統(tǒng)工作的情況，這些參數(shù)包括各個(gè)閥門的狀態(tài)、水箱的水位、各個(gè)傳感器當(dāng)前的溫度等，所以該系統(tǒng)中使用一個(gè)串口來向監(jiān)控計(jì)算機(jī)提交數(shù)據(jù)。每隔一定時(shí)間監(jiān)控計(jì)算機(jī)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。

　?、芸刂骑@示區(qū)任務(wù)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(fù)責(zé)顯示當(dāng)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(gè)，停留一段時(shí)間后顯示下一個(gè)，如此循環(huán)反復(fù)，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(wù)2：區(qū)域2顯示的是系統(tǒng)運(yùn)行中，當(dāng)前各個(gè)閥門的工作狀態(tài)。系統(tǒng)設(shè)置了以手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式操縱四個(gè)閥門，用有否提示音來進(jìn)行區(qū)分。這個(gè)區(qū)域還負(fù)責(zé)顯示各種提示信息或者出錯(cuò)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(bào)錯(cuò)字樣，并表明是哪部分出了問題，便于工作人員及時(shí)檢修排隊(duì)故障。

　?、抻布袛嗵幚砣蝿?wù)：在控制臺(tái)的表面分布著14個(gè)按鍵用以操縱和控制系統(tǒng)，每按下一個(gè)鍵，系統(tǒng)該做出何種反應(yīng)就由此任務(wù)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(zhuǎn)入不同的程序段進(jìn)行處理。

　?、邔?duì)傳回?cái)?shù)據(jù)的處理任務(wù)：在與串口1的通信任務(wù)中，系統(tǒng)從串口1收到的數(shù)據(jù)如果是無誤的，則進(jìn)入此任務(wù)。該任務(wù)對(duì)系統(tǒng)中主要存在四種動(dòng)作，即加水、加熱、循環(huán)和回水，分別分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作狀態(tài)，計(jì)算系統(tǒng)中實(shí)時(shí)改變的數(shù)據(jù)該如何影響和決定當(dāng)前系統(tǒng)的動(dòng)作。