基于RTX51的低压智能配电箱的控制系统设计*

仝战营，毛景魁

（河南机电高等专科学校，河南 新乡 453000）

1 引言

随着家庭智能控制系统深入普通用户，无线开关系统出现于市场上。先后出现了单路、多路遥控开关，诸如4路无线开关，定时开关。此类系统只能进行简单的开关控制，由于通信的单向性，操作者无法得知开关状态，只能从用电设备的工作状态得知当前的开关状态，更无法对开关预约定时。因此，此类设备虽然解决了操纵开关的不便，但却没有解决开关状态、预约定时以及通信可靠性的问题。

为解决上述问题，并将目前各实用功能集成为一体，采用蓝牙通信，结合微控制器制作的智能低压配电箱的控制电路框图如图1所示，系统主要由以下功能模块组成。

图1 低压智能配电箱硬件控制电路

1)开关驱动电路，为配电箱的执行机构，用于开通或关断某路电源，达到控制配电的目的。

2)LCD12864液晶显示单元。用于显示用户的当前操作、当前时间、各路开关的状态、定时信息等。

3)实时时钟电路。该电路为系统运行提供时间基准，系统根据此时间执行定时动作。

4)蓝牙通信接口。采用外接蓝牙模块，设计全双工的通信接口，与蓝牙模块通信，以便与操作终端数据交换。

5)程序下载接口。采用ISP方式下载程序，可在线烧写程序，为以后程序升级提供了方便的接口。

6)提示音电路。用于操作时的声音提示或者故障报警等。

7)核心控制芯片。核心控制芯片为单片机STC12C5A60S2，管理上述的系统各功能模块。

8)电源电路。采用开关电源模块为控制电路提供所需的电源。

9)面板按键。提供4个按键，操作者可以在面板上进行全部操作。

图2 控制主板原理图

系统控制主板电路如图2所示，控制核心芯片采用STC12C5A60S2，通过P0口和 P2口的 P2.1－P2.5作为LCD12864液晶的接口控制线;P1.0、P1.1作为无线通信接口，用于收发遥控数据;P1.4－P1.7用于配电箱的开关驱动控制线;P3.0、P3.1用于程序的ISP下载，并配置指示灯，只是当前通信状况。

2 操作系统的选择

完成以上任务通常采用传统的前后台处理编程方式，但此种方式当一个任务执行时间较长时，容易丢失瞬时信息，从而造成不动作或误动作。一个高效的单片机智能控制系统，不仅能够同时执行多个任务对每个任务作出实时响应，而且，要求系统能够及时响应随机发生的外部事件，并对其作出快速处理［1］。对于这样的系统应用，采用实时操作系统RTOS(RealTime－Operating System)作为系统软件设计平台是一个良好的选择，它可以灵活地安排系统资源，简化复杂的软件设计，加快软件开发的效率，大大缩短项目的开发周期［2］。

目前，应用于嵌入式的操作系统很多，常见的通用型嵌入式操作系统有 uCLinux、VxWorks、Windows CE.net、uCOS－II等。但这些操作系统需要较大的RAM空间，因此，不适合于采用普通单片机控制的应用场所。

RTX51是德国 Keil公司开发的一种应用于MCS51系列单片机的实时多任务操作系统，它可以工作在所有8051单片机以及派生的系列［3］。其中，RTX51 Full支持信号传递、系统邮箱和消息传递。RTX51 Tiny最大允许16个任务的循环切换，支持信号传递，但不支持存储区的分配和释放，不支持抢先式调度。考虑到系统后继的优化、扩展，本文采用RTX51 Full作为系统的操作软件。

3 系统任务

根据系统要求和软件编制的需要，经过系统需求分析，总结控制低压配电控制箱的控制要求，其需要完成的软件模块的功能主要有:遥控命令的接收和解析、面板按键操作、开关定时、开关控制、数据存储、系统时间设定、提示音的开关。这些软件模块的层次关系如图2所示，它们不是需要同时运行的，比如开关控制，只有在遥控或面板操作时才会执行。因此，将以上的功能模块按照先后的层次关系划分为以下几个独立的模块。

基本任务有5个，分别是:遥控命令及数据的接收和解析、面板操作、液晶显示、计时和空闲任务。它们完成的功能如下所述:

1)命令及数据的接收和解析

主要完成操作终端通过蓝牙功能模块和控制箱进行的命令、数据交互。此模块的主要功能是按照3.2所述的协议格式解析出操作终端的命令、数据，交由上层软件处理。

2)面板操作

控制箱有4个按键，分别执行上翻(加)、下翻(减)、确定、取消操作。具体功能根据当前的操作命令而定。

3)液晶显示

液晶为系统的输出界面，操作者借此了解系统运行状态及数据。因此，对于不同的操作命令，需要显示不同的界面。操作者希望操作界面友好，便于操作，这给程序设计提出了较高的要求。

12864是128*64点阵液晶模块的点阵数简称，适用于各类仪器，小型设备的显示领域。它是一种图形点阵液晶显示器，主要由行驱动器/列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成，可完成图形显示，也可以显示8×4个(16×16)汉字。

根据用户的操作习惯，将12864液晶的显示界面制作成菜单式界面，各个可执行的命令显示于液晶之上。操作者通过按键选择相应的菜单进入，并执行所选择的命令。

4)计时任务

控制箱必须有一个时间基准，才能完成定时动作。这里面有2种形式的定时，一个是简单的不精确的定时，依靠单片机自身的定时器完成，主要用来作为系统段时间的计时，如按键消抖、间隔读取实时时钟等。另一个是长时间精确定时，需要实时时钟来完成。在软件里设计一结构体，依靠间隔读取实时时钟完成时间数据的更新，并以该数据作为开关定时和系统时间的基准。

5)空闲任务

系统长时间不进行操作时，表明处于“空闲状态”，此时，不必要显示系统菜单，为方便使用，设计显示系统时间，让用户可以看到当前的时间，作为一个时钟使用。因此，空闲任务的功能就是察看系统是否处于空闲，如果处于空闲阶段，即切换到系统时间显示的状态。如果用户有按键，则立即显示操作菜单，以便操作者进行功能操作。

上述5个任务需要同时独立运行，对于单片机来讲，采用传统的前后台系统编写软件，则显得麻烦而不实用。综合单片机的资源和目前运用于单片机的操作系统，选择RTX－Tiny操作系统对上述5个任务进行调度，使之互相独立。

4 任务编程

由于系统任务较多，现以面板操作和计时任务为例，说明和分析系统软件的编制过程。

4.1 面板操作

面板操作的任务是读取按键值，并根据此按键值、目前菜单行，执行操作者要求的功能，其流程如图4所示。

图3 控制箱软件层次关系

按键任务程序不停地检查按键，如果有按键按下，则将按键值转换成可识别的按键字符。然后程序检查当前系统是否处于空闲状态，如果处于空闲状态，则不予响应，否则，调用菜单程序，根据按键值执行相应的功能程序。

图4 按键任务流程图

按照图4编写的程序如下所示:

4.2 计时任务

计时任务首先判断系统是否处于空闲状态，然后读取实时时钟，并根据实时时钟的时间数据判断定时时间是否到，主要流程如图5所示。

图5 计时任务流程

计时任务以1秒左右的时间等待超时事件，如果超时事件发生，则将空闲时间变量减一，如果空闲时间变量被减为0，则空闲时间变量重新赋默认值(1800，30分钟)。同时，空闲状态置位，表明当前操作已经至少30分钟没有再进行了，向空闲任务发送信号。如果空闲时间变量不为0，则说明仍然在操作中，略过空闲时间的操作。

完成上述任务后，则调用时间比对函数，读取实时时钟的数据，更新系统时间，与各路开关的当前定时数据比对，如果到了定时时间，则执行相关定时动作，否则，继续等待下次的时间超时事件。

按照图4编写的计时任务程序如下所示:

5 结语

RTX实时操作系统既能保证对外界的信息以足够快的速度进行相应处理，又能并行运行多个任务，具有实时性和并行性的特点，因此能够很好地完成对多个信息的测量、处理和实时控制［4］，并且，RTX以其简洁高效的内核，非常适合运行于资源较少的单片机上。使用RTX51的多任务操作系统软件完成的低压配电箱，外围电路少、成本低、可靠性高，软件的编写和调试快捷方便、开发周期短。

根据上述设计生产的研丹－I型微电脑控制低压智能配电箱已用于生产，实践证明，使用RTX51实时操作系统可以加快系统的开发速度，降低软件编程的复杂程度，大大提高开发效率，是一个较好的解决办法。

［1］欧伟明，罗三定.基于RTX51的交通灯信号自适应倒计时器［J］.机电产品开发与创新，2006，16(6):49－51.

［2］邢鹏康，胡彬.基于RTX51实时操作系统的交通灯控制系统的设计［J］.山西电子技术，2010，(5)，50 －52.

［3］蔡林骥，李清宝.RTX51嵌入式实时操作系统分析［J］.计算机应用与软件，2005，6(6):90 －92.

［4］胡万华.基于RTX51实时操作系统的激光热处理机控制系统设计［J］.煤矿机械，2010，5(5):24 －26.