基于uC/OS-II的远程多点温度监测系统

　　引言
   　　随着Internet的发展和应用，越来越多的嵌入式系统接入网络。然而，大部分嵌入式系统都是作为B/S模式中的应用服务器，必须随时对客户机的请求做出回应，要求具有较强的实时性。mC/OS-II是近年来发展迅速的一个开放源码实时操作系统，具有移植性好、可裁剪、可固化的优点。将mC/OS-II引入网络嵌入式系统，既可以实现系统的实时性要求，同时可以提高系统的可靠性，易于调试程序。
   
   　　
   　　图1 系统硬件结构框图（点击图片放大）
   
   　　
   　　图2 系统TCP/IP协议部分程序流程图（点击图片放大）
   　
   　系统硬件设计
   　　本系统设计中采用美国Cygnal公司生产的集成混合信号SoC芯片C8051F020，其内核与8051兼容。当它工作在最大系统时钟频率 25MHz 时，峰值速度可以达到 25MIPS。C8051F020除了256B的内部 RAM，还另有位于外部数据存储器地址空间的 4KB的 XRAM，以及64KB可在系统编程的 FLASH 存储器。因此，它有足够的RAM空间用于存放1500B的以太帧，以及μC/OS-II中再入函数的模拟栈。C8051F020除了有标准8051的端口（ P0、P1、P2和P3）外，还附加4个端口（P4、P5、P6和P7），内部还有很多的功能器件。
   　　系统的硬件结构框图如图1所示。网卡芯片使用台湾 Realtek 公司生产的RTL8019AS。在系统中用到的网卡地址为十六进制的0300H~0310H，因此，C8051F020的P7口采用复用方式与RTL8019AS的数据/地址线相接，网卡的SA8脚则直接与高电平相接。C8051F020的 P5.2与RTL8019AS的复位端相连，用来复位网卡。RTL8019AS则外接一个隔离LPF滤波器，通过RJ45接口接入以太网。多个单总线温度传感器DS18B20共享一条总线，由 P3.0口进行控制。
   　　系统软件实现
   　　TCP/IP协议实现
   　　介质访问层主要由以太网控制器 RTL8019AS来实现，其数据通信协议采用IEEE802.3 标准，只处理接收地址与本机物理地址相符或为广播地址的以太帧，并只对ARP、IP数据报进行处理。
   　　网络层实现IP、ARP和ICMP 协议：IP 数据报的首部保留 20 字节的基本控制信息，每个IP数据报包含一个分片；实现完整的ARP 协议；对于ICMP协议， 只实现 ICMP 中类型号为 0 ，代码为 0 的 Ping 应答协议。
   　　传输层实现TCP协议。在系统中，TCP 协议只用于支持 HTTP 协议，由于在连接时一直处于被动服务的状态，因此在设计中省去了SYN - SENT 状态和CLOSED状态，让它一开始就处于 LISTEN 状态，来监听客户端的连接请求，避免了主动打开的操作，可更高效地服务于客户机。而当服务器发出数据报时，系统并不存储，只是记录下该数据报的状态信息。由于系统中数据传输量少，滑动窗口可设置为一个固定值（1 500 字节 ）。
   　　应用层实现HTTP 协议。现场监测设备与用户的交互式数据交换通过 HTTP 协议来实现，HTTP在端口80上使用TCP的服务。系统TCP/IP协议部分程序的流程图如图2所示。
   　　uC/OS-II对TCP/IP协议及温度监测的实时管理
   　　uC/OS-II在C8051F020单片机上的移植
   　　uC/OS-II的移植，要求所用的C编译器支持混合编程，在这里选用 KEIL C51集成开发环境。由于uC/OS-II是可剥夺的实时操作系统，任务随时会被另一任务中断，一段时间后再可以运行。为了防止在任务切换过程中相应数据被破坏，mC/OS-II中使用了大量的可重入函数。在KEIL C51中，Cx51编译器为再入函数生成模拟栈，通过这个模拟栈完成参数传递和存放局部变量。根据再入函数所采用的编译模式（SMALL、COMPACT、LARGE），模拟栈可以位于片内或片外存储空间。对于本系统，模拟栈对RAM空间的要求较大，故选用LARGE模式。可直接利用芯片上集成的XRAM（4K），无须另外扩展外部数据存储器。通过配置STARTUP.A51文件进行设置：
   　　XBPSTACK EQU 1 ; //选用LARGE模式
   　　XBPSTACKTOP EQU 1000H ; //设置再入栈栈顶指针
   　　在移植过程中主要完成对以下五个文件的修改：与CPU相关的文件OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C、OS_CPU.H和与应用相关的文件OS_CFG.H、INCLUDES.H。
   　　其移植过程在这里不是重点，下面简要介绍与应用相关较紧密的部分设置。
   　　0S-CPU.H：
   　　#define OS_CRITICAL_ METHOD 1 //中断方式1
   　　#if OS_CRITICAL_METHOD == 1
   　　#define OS_ENTER_ CRITICAL（） EA=0
   　　//关中断
   　　#define OS_EXIT_CRITICAL（） EA=1 //开中断
   　　#endif
   　　OS_CFG.H：
   　　OSTimeDlyHMSM（）函数使应用程序无需知道延时时间对应的时钟节拍数，直接按小时、分、秒、毫秒来定义时间，方便对任务运行时间进行管理。
   　　#define OS_TIME_DLY_ HMSM_EN 1
   　　//允许使用函数OSTimeDly HMSM（）。
   　　由于每个嵌入式监测系统可以同时与多个PC机连接，向不同用户提供信息，因此可在OS_CFG.H头文件中定义一个包含各种连接信息的结构变量。当TCP报文到时，使用连接状态信息检查是否与已存在的连接相符，如果不存在则建立新的连接。这种处理可以使嵌入式监测系统同时处理来自同一或不同PC机的连接。
   　　typedef struct
   　　{
   　　INT32U ipaddr;
   　　INT16U port;
   　　INT8U timer;
   　　INT8U inactivity;
   　　INT8U state;
   　　char query［20］;
   　　} CONNECTION;
   　　在ARP协议部分，嵌入式系统将收到的IP数据报的物理地址存放在一结构变量中。如果是向同一PC机发送数据报，不需要再次发送ARP请求就可得到目的主机的物理地址，减少了建立连接的时间。
   　　typedef struct
   　　{
   　　INT32U ipaddr;
   　　INT8U hwaddr［6］;
   　　} ARP_CACHE;
   　　在其中设置每个嵌入式系统的MAC地址、IP地址、子网掩码和网关地址。
   　　uC/OS-II中任务创建及优先级设置
   　　C8051F020的XRAM做输入/输出数据的内部缓冲区，RTL8019AS内部的16K SRAM做单片机的外部数据缓冲区，存储输入/输出以太帧队列。这样C8051020就可以采用查询方式读取以太帧，并有充足的时间处理数据。由于输入帧的大小不定，同时在ARP数据报发送或接收时，输出帧必须存在输出缓冲区中，因此，输入/输出数据缓冲区在C8051F020的XRAM中使用动态分配，由KEIL C51 提供的malloc（）和free（）函数完成。网页存储于单片机的FLASH存储器中。当嵌入式系统向PC机发送网页时，先将网页从FLASH存储器中取出放入XRAM，再根据用户请求进行整理后放入RTL8019AS的SRAM，并发送到以太网上。
   　　作为网络服务器，C8051F020需要注意以下几点：
   　　1） 服务器向一客户机发送ARP查询分组后，如果在0.5秒内未收到ARP响应分组，则重发。
   　　2） 如果TCP连接在0.5秒内未被激活，则调用初始化断开连接程序，防止两个TCP之间的连接处理长时期空闲。
   　　3） 为了控制丢失数据报，TCP在规定时间（0.5秒）内如果没有收到确认包 ，就重组这个包并发送 ，这样不需要占用存储区来存储包。当收到客户机接收到信息包的确认报后 ，就断开连接。
   　　uC/OS-II对系统的管理是通过对任务的管理来实现的。它把整个程序分成许多任务，每个任务相对独立。然后在每个任务中设置超时函数，一旦任务的延时时间到，任务必须交出 CPU 的使用权。根据需要，系统中创建了5个任务，设置如下：
   　　任务1：OSTaskCreate（eth_ arive，0，&mystack1［0］，4）;// 查询RTL8019AS，是否有以太帧到达。
   　　OSTimeDlyHMSM（0，0，0，500）;// 延时0.5秒
   　　任务2：OSTaskCreate（arp_ retran，0，&mystack2［0］，5）;//重发ARP分组
   　　OSTimeDlyHMSM（0，0，1，0）; // 延时1秒
   　　任务3：OSTaskCreate（tcp_ inact，0，&mystack3［0］，6）;// 初始化断开连接
   　　OSTimeDlyHMSM（0，0，1，500）;// 延时1.5秒
   　　任务4：OSTaskCreate（read _temp，0，&mystack3［0］，7）;// 读温度值
   　　OSTimeDlyHMSM（0，0，2，0）; // 延时7秒
   　　任务5：OSTaskCreate（tcp_ retran，0，&mystack3［0］，8）;//TCP数据报重发
   　　OSTimeDlyHMSM（0，0，2，500）;// 延时2.5秒
   
   　　结语
   　　将网络功能嵌入到温度监测系统中，可在网络中接入多个节点，每个节点连接多个单总线传感器，以此实现真正的多点温度监测，以满足用户的需要。由于DS18B20是单总线温度传感器，本身的温度测量有些延时，因此在传输温度数据时需要几秒钟的等待时间，但对整个系统的影响不大。采用嵌入式实时操作系统mC/OS-II，提高了系统的实时性和可靠性，有利于用户的管理和对温度的实时监测。
   　　用户可以利用广泛存在的以太网资源，通过浏览器直接访问节点，提高系统的开放性和互操作性，降低监控运行维护成本、提高监控运行维护效率。因此，基于嵌入式实时操作系统的嵌入式网络有着广阔的发展前景。