基于Small-RTOS51的数据采集器设计
引 言
随着嵌入式系统的发展，嵌入式软件设计向软件平台靠近，单片机软件设计不再是单一线程结构方式，而是逐步采用多任务的设计思想。实时内核也称为实时操作系统或rtos。它使得实时应用程序的设计、扩展和维护变得更容易，不需要大的改动就可以增加新的功能。通过应用程序分割成若干独立的任务，rtos使得应用程序的设计过程大为简化。使用可剥夺性内核时，所有时间要求苛刻的事件都得到了尽可能快捷、有效的处理。通过有效的服务，如信号量、邮箱、队列、延时、超时等，rtos使得资源得到更好的利用。
目前8位单片机在嵌入式系统中，应用还是最广泛的。51多任务系统中，keil c51 所带的rtx51 full 太大（6kb多），且需要外部ram，又无源代码，很多时候不实用。rtx51 tiny虽然小（900多字节），但是任务没有优先级和中断管理，也无源代码，也不太实用。而uc/osii虽有源代码，但是它太大，又需要外部ram，所有函数又必须是重入函数，用在51这类小片内ram的单片机上有点勉强。small rtos为小ram系统设计，ram需求小，比较适合51这种资源比较少的系统上。
1 数据采集器系统设计
1.1 数据采集器原理
数据采集器是将采集到的电表脉冲信号转换为电能量数据整理保存，并与上行设备通信传输到管理单元进行电表数据的统一管理。
1.2 硬件设计
主控制器采用at89c52芯片，利用7032将脉冲信号采样，经过cpu的处理将数据存储到eeprom芯片中，数据通过红外信道上传到掌上电脑中。系统框图如图1所示。
2 small rtos51多任务操作系统
small rtos是一个源代码公开的多任务实时操作系统，small rtos 51是其在8051系列处理器上的移植（使用keil c51）。small rtos可以简化那些复杂而且时间要求严格的工程的软件设计工作。
small rtos有以下的特点。
① 公开源代码。只要遵循许可协议，任何人可以免费获得源代码。
② 可移植。尽量把与cpu相关部分压缩到最小，与cpu无关部分用ansi c编写。
③ 可固化。small rtos为嵌入式系统设计，如果有固化手段，它可以嵌入到产品中成为产品的一部分。
④ 占先式。small rtos可以管理17个任务，用户最多可以使用16个任务，每个任务优先级不同。
⑤ 中断管理。中断可以使正在执行的任务挂起。如果优先级更高的任务被中断唤醒，则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行。中断嵌套层数可达255 层。如果需要，可以禁止中断嵌套管理。
⑥ ram需求小。small rtos为小ram系统设计，因而ram需求小，相应的，系统服务也少。
目前，small rtos的最新版本为1.20.0。可以进行任务的建立、删除、动态内存分配等操作。
3 任务分解设计
数据采集器主要包括采集处理、显示处理、按键处理、通信处理等模块，由中断处理相应采集脉冲信号和串口通信。因此，将任务分解为按键显示处理、接收数据、命令处理、发送数据、采样滤波处理、系统检测6个任务。
主程序进行系统初始化以后，顺序建立6个任务，进入cpu休眠状态。各个任务运行后，首先进入任务休眠状态，等待相应任务的唤醒。任务被唤醒以后，进行相应处理，再次进入休眠状态。这样，可以减少任务切换，减轻系统负担。
任务框图如图2所示，主程序流程如图3所示。
脉冲到来时，引发相应外部中断，由中断处理程序处理后，置相应信号量，然后唤醒采样滤波处理任务。采样滤波处理任务将数据整理后，存储到外部存储器中。
串口数据到来时，引发串口中断，串口中断处理程序唤醒数据接收任务。数据接收任务完成数据包的接收，并根据通信数据包的特点进行错误处理。数据包被正确接收后，唤醒命令处理任务。命令处理任务判断数据包的校验和，若正确就处理相应的命令。命令处理完成以后，将回应数据打包，然后唤醒发送数据任务，将数据通过串口发送出去。
每个任务均采用以下结构。
while(1)
{
oswait(k_sig, 0); // 任务睡眠，等待任务唤醒处理过程
}
任务的唤醒用ostaskresume(task_id)完成。
串口接收和发送处理采用队列模式，设立发送和接收两个缓冲区，独立的进出队列处理。数据解包和数据打包采用单独处理方式，这样单独处理通信协议，以利于今后协议的改动。
串口缓冲i/o模块的程序见本刊网站www.dpj.com.cn。
系统节拍设置：将os_ticks_per_sec设为20，即系统时钟节拍为每秒20次。定义定时器0的中断时间设为50ms。
#define m_fosc 11059200l
#define m_time 65536l - (m_fosc / (os_ticks_per_sec *
12l))
void inittimer0(void) {
tmod = (tmod & 0xf0) | 0x01;
th0 = m_time / 256;
tl0 = m_time % 256;
et0 = 1;
tf0 = 0;
}
testsys任务定时检测各任务的回应，若长时间没有回应，则启动复位功能，热启动整个系统，以保证系统的可靠性。
由于单片机采用at89c52，片内ram为256，使用ds12887中的一部分ram作为扩展。队列长度各为15个字节时，程序经过9级优化后，ram占用140字节，xram占用106字节。由于系统ram很小，因此，没有使用信号量和消息进行数据传输。在其它应用时，可以根据系统资源进行信号量和消息的使用，这样可以更有效地使任务运行。
4 结 论
在嵌入式系统中，使用rtos是大势所趋，因为在大多数情况下编程效率比执行效率重要。利用small rtos多任务系统设计，可以使51单片机发挥的更有效，并且今后的软件维护和改进更方便，更可靠。
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目前8位单片机在嵌入式系统中，应用还是最广泛的。51多任务系统中，keil c51 所带的rtx51 full 太大（6kb多），且需要外部ram，又无源代码，很多时候不实用。rtx51 tiny虽然小（900多字节），但是任务没有优先级和中断管理，也无源代码，也不太实用。而uc/osii虽有源代码，但是它太大，又需要外部ram，所有函数又必须是重入函数，用在51这类小片内ram的单片机上有点勉强。small rtos为小ram系统设计，ram需求小，比较适合51这种资源比较少的系统上。
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small rtos有以下的特点。
① 公开源代码。只要遵循许可协议，任何人可以免费获得源代码。
② 可移植。尽量把与cpu相关部分压缩到最小，与cpu无关部分用ansi c编写。
③ 可固化。small rtos为嵌入式系统设计，如果有固化手段，它可以嵌入到产品中成为产品的一部分。
④ 占先式。small rtos可以管理17个任务，用户最多可以使用16个任务，每个任务优先级不同。
⑤ 中断管理。中断可以使正在执行的任务挂起。如果优先级更高的任务被中断唤醒，则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行。中断嵌套层数可达255 层。如果需要，可以禁止中断嵌套管理。
⑥ ram需求小。small rtos为小ram系统设计，因而ram需求小，相应的，系统服务也少。
目前，small rtos的最新版本为1.20.0。可以进行任务的建立、删除、动态内存分配等操作。
3 任务分解设计
数据采集器主要包括采集处理、显示处理、按键处理、通信处理等模块，由中断处理相应采集脉冲信号和串口通信。因此，将任务分解为按键显示处理、接收数据、命令处理、发送数据、采样滤波处理、系统检测6个任务。
主程序进行系统初始化以后，顺序建立6个任务，进入cpu休眠状态。各个任务运行后，首先进入任务休眠状态，等待相应任务的唤醒。任务被唤醒以后，进行相应处理，再次进入休眠状态。这样，可以减少任务切换，减轻系统负担。
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void inittimer0(void) {
tmod = (tmod & 0xf0) | 0x01;
th0 = m_time / 256;
tl0 = m_time % 256;
et0 = 1;
tf0 = 0;
}
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