1 引言

隨著嵌入式係統 EOS 應用的日益廣泛，控製係統的規模和難度也隨之加大，對嵌入式係統的軟件開發效率的要求也越來越高，像 μcos，Lin-ux，RTX 等，尤其 RTX 和 μcos 更加突出其實時性，在稱重控製行業，越來越多的稱重控製儀表都采用嵌入式操作係統，在沒有操作係統支持的情況下，多任務調度成為單片機應用係統構造上的重要難題 [1] 。比起傳統在單片機上運行程序，它的運行效率更高，穩定性更好，實時性更好，同時也便於對產品軟件進行維護，相比傳統單片機裸奔，運用 RTX 開發稱重控製儀表具有如下幾個優點：

●可搶占的任務調度—— — 根據需要進行調用，從而確保了更好的程序流和稱重事件響應；

●多任務——— 任務調度會產生同時執行多個任務的效應；

●確定性的行為——— 在定義的時間內處理事件和中斷；

●較短的 ISR——— 實現更加確定的中斷行為；

●任務間通信——— 管理多個任務之間的數據、內存和硬件資源共享；

●自定義的堆棧使用——— 每個任務分配一個定義的堆棧空間，從而實現可預測的內存使用；

●係統管理——— 可以專注於應用程序開發而不是資源管理 （ 內務處理 ）。

2  RTX 內核簡介及稱重儀表的原理

2.1 RTX內核構架

Keil RTX定性為實時操作係統 RTOS，適用於ARM核和 Cortex- M3 內核的設備。

●任務調度 Scheduler，完成任務間的切換和中斷的嵌套；

●互斥事件 Mutex，當共享內部資源時，設置互斥標誌，可以防止共享衝突；

●內存分頻 MemoryPool，任務通過調用內存管理，分配和釋放內存，節約空間；

●郵箱管理 Mailbox，可通過郵箱管理，在任務與任務間進行數據交互；

●延時間隔 Delay&Interval，通過延時間隔調用，提高運行的實時性；

●事件信號 Event&Semaphore，實現任務間的等待執行。

2.2 稱重儀表原理

稱重儀部件主要完成稱重數據采集、稱重數據顯示、參數存儲、按鍵輸入、還包含串口通訊、IO 控製、打印輸出等一係列任務，這些任務的執行都有一套參考標準，即必須嚴格按照 GB/T 7724- 2008 《電子稱重儀表》[2] 和GB/T 23111- 2008 《 非自動衡器》[3] 來處理數據。

2.2.1 ARM CortexM3 的處理器

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

2.2.2  AD稱重數據采集

稱重數據采集的是 0mV~10mV 稱重傳感器電橋信號，我們在設計儀表時一般選擇帶內部增益放大器的 AD，或者在傳感器和 AD 設備之間增加一道信號放大環節，這樣可以幫助我們采集到更多的有用信號。本方案我們選擇 24bit 高精度Σ- Δ 型自帶內部增益放大的 AD轉換器。

2.2.3 顯示器

一般常用七段數碼管，也有采用點陣液晶，點陣液晶可以顯示中文，方便 HMI 交互。

2.2.4 存儲器件

市場上的存儲器很多，目前較流行的是電擦除的 AT24CXX 係列，我們采用鐵電 FM24CXX 的存儲器，鐵電的速率比 AT24CXX 電擦除的要快，而且無擦寫次數限製，使用壽命更長。

2.2.5 實時時鍾

實時時鍾可以提供準確的運行時間總和，可以用於實時打印和實時監控記錄，方便根據日期調出數據等。

2.2.6  IO擴展

由於 MCU 的 IO 管腳驅動能力的限製，而帶動設備通常不僅需要增加驅動能，還要防止設備對 CPU 的幹擾，一般我們采用光隔離或磁隔離去驅動 MOS 管或繼電器，這樣設備的運行幹擾就相對小很多，而且能增加驅動設備的能力。

2.2.7 串口通訊

串口設計為了提高 EMC 特性和對外部的抗幹擾，這裏常選擇 ADI 磁隔離器件，串口通訊一般有標準 RS232/RS485 信號，工業比較流行的總線還有 Profibus- DP 和 CAN 總線，主要用於與 PLC、DCS等外設數據交互，控製和打印信息的輸出。

3 實時稱重係統軟件設計

任務分配完後必須根據需要分配優先級，比如想要得到較高的按鍵響應，可以把任務 1 的優先級設為最高，但是本文主要是分析稱重數據的實時監控，所以我們需要將任務 3 的優先級設為最高，這樣可以以最快的響應速度處理稱重數據。

注解1 ：配置 ARM7 內核的時鍾和外設等信息，以保證外設的正確運行。

注解2 ：RTX 內核的初始化，包含內核時鍾，堆棧，任務數量等的分配，並創建第一個任務。

注解3 ：“__task void Task0_init()”任務作用是根據需要創建用戶任務，流程圖上的 os_tsk_create (Task1_Key,13)， 就 是 創 建 了以Task1_Key 為函數名的任務 1，並且分配了其優先級為 13，而且把創建任務時的任務序號存放在以TID_ 為前綴的變量裏麵，這是因為以後對任務的操作都需要用到此任務序號，這個序號是 RTX 內核自動分配的，具有唯一性。

注解4 ：多任務的調度和切換詳見 3.2 章節舉例說明。

注解5 ：RTX 係統自帶的任務當 TCB（ 任務管理器 ） 列表內無就緒可執行任務，內核暫時會切換執行空閑任務。

注解6 ：中斷入口函數。

注解7 ：用戶函數可以根據用戶需要任意增加和減少，RTX內核任務最大可運行 255 個。

3.2 任務切換舉例

任務的切換是要通過內核 TCB 來管理的，假如當前正在運行任務 2“Void Task2_Disp()” ，此時AD 轉換完成，給 CPU 發送一個中斷信號進入中斷，中斷的任務就是告訴 RTX 內核，任務 3“Void Task2_Disp()”已經就緒，內核則會判斷任務 3 的優先級是否比任務 2 優先級高，如果是，則重新分配任務，把顯示任務的運行狀態壓入顯示任務的堆棧，再把數據采集任務的信息從數據采集任務的堆棧中恢複到 MCU 工作寄存器中，啟動數據采集任務，而顯示任務則被掛起暫停，直到任務 3 完成，把 CPU 控製權釋放。

4 需要注意的問題

在應用 RTX時應注意以下幾點：

4.1 盡可能不使用循環任務切換。如果由os_dly_wait()函數來進行任務觸發，則不需要保存任務內容。由於正處於等待運行的任務並不需要等待全部循環切換時間結束，因此 os_dly_wait()函數可以改進 RTX 內核係統響應時間，更加突出實時效果。

4.2 如果使用時間片，不要將時鍾節拍中斷速率設置得太高或太低，設定為一個較低的數值在增加每秒的時鍾節拍個數的同時會增加 RTX 內核調度所產生的開銷，因為每次時鍾節拍中斷大約需要 100 個 ~200 個 CPU周期；也不可將時鍾節拍率太高，否則會增加中斷響應時間，導致中斷響應不及時，所以個人建議不使用時間片任務切換。我們做軟件的時候，可以在有較大數據量處理的任務中間穿插 os_dly_wait()函數，以便其它任務得到響應，又不影響本次任務的運行。

4.3 _alloc_box()函數比較方便的根據需要隨時分配內存給任務，但是當我們使用完本次內存後一定要利用 _free_box()釋放內存，否則不停的被創建內存而不去釋放，那麽運行時間一長，內存占用達到飽和，內存溢出了直接會導致係統癱瘓，這個錯誤是致命性的，而且有時候不容易被發現，是一個隱患。

4.4 每一個任務必須都是一個死循環，例如：

__task void Task1_key (void)

{

 /* 添加任務變量，給設備初始化 */

os_itv_set(2); /* 設置本任務每 20ms 發生一次 */

while(1)

{

KeyManage(); /* 按鍵掃描和處理 */

os_itv_wait()； /* 等待下一個 20ms 的到來 */

}

}

如果沒有 while(1)把 PC 指針控製在 Task1_key(void)，那麽當運行完一次任務後，PC 指針就會跑飛，程序就會亂掉，直接導致係統崩潰。

4.5 稱重過程是一個強實時過程，需要 CPU及時采集秤台過程的數據並快速分析有效數據，從而計算其重量。如果 CPU 速度過慢或者程序邏輯結構設計不合理，必然會導致儀表在穩定性和實時稱重控製方麵的不足 [4] ，所以必要時我們可以把稱重數據采集任務的優先級設為最高。

5 結論

本文介紹了多任務的創建、切換和並發多任務運行，並分析了 RTX高效率數據采集的實時性，RTX 內核一旦接收到事件響應，可以在最短的時間內去處理，這樣，提高采集效率的同時又可以提高控製的實時性。而不像傳統程序隻能順序執行完一圈後才能被響應。任務切換是 RTX 的一個基本服務，在實際應用中還要對任務切換時的堆棧管理有一定了解，這樣才能更好地掌握任務切換的機製。且每個任務都可以隨時被創建和刪除，不僅可以把暫時不用的任務先從 TCB 中抽出掛起，也可以當再次需要的時候再把它拉入運行 TCB 列表。本文隻提到了幾個運用 RTX 設計稱重儀表的關鍵點，希望對同類係統設計有一定的借鑒意義。

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