嵌人式实时操作系统uC／OS在控制工程中的应用

嵌人式实时操作系统uC／OS在控制工程中的应用

冉汉政
(西南交通大学 电气工程学院 四川 成都 610003)

在嵌入式实时应用领域，过去一般把整个软件设计成一个前后台系统。应用程序是一个无限循环，循环中调用相应的函数完成相应的操作，这部分是后台行为；中断服务程序处理异步事件，这部分是前台行为。这对于很简单的控制是比较适合的。但是在情况比较复杂的时候，工程师现在倾向于应用一个适当的操作系统来降低系统开发的难度，使得实时应用程序的设计和扩展变的容易，不需要大的改动就能增加新的功能。而uC／OS就是一个用于开发中小型项目比较合适的嵌入式实时操作系统。
1 uC／OS的特点

uC／OS是一个原代码公开的，可移植性强的实时的多任务操作系统。其实时内核采用占先式调度策略。这意味着他总是运行就绪条件下的优先级的任务。当一个任务A正在运行时，由于某种原因，一个比他优先级更高的任务B进入了就绪态，则立即任务A被挂起，任务B得到运行。这个原因可能是任务A本身发出了信号量激活了任务B；也有可能是任务A正在运行时，一个中断到来了，而中断服务子程序使得任务B进入了就绪态，那么完成中断后，任务B开始运行。

uC／OS的内核采用固定优先级的调度方法，所以每一个任务必须由程序设计者赋予一个明确的并且与其他任务不同的优先级。如果设计者希望某个任务的优先级需要根据时间的推移或条件的变化而发生改变，那么必须由设计者自己调用改变任务优先级的函数OSTaskChangePrio()来实现。例如系统中发生了一个不影响系统安全的小故障，相应的有一个故障报警任务，刚开始他的优先级较低从而总是被高优先级任务占先，所以只能每隔一段较长的时间执行；随着时间的推移，如果该故障得不到处理，他的优先级可以逐渐提升，直到达到优先级。

如果任务之间由于有共享资源出现了竞争或者死锁，是会严重影响系统安全的。因此uC／OS对共享资源提供了保护机制。一般情况下使用的是信号量方法。创建一个信号量并对他进行初始化，当一个任务需要使用一个共享资源时，他必须先申请得到这个信号量。在这个过程中即使有优先权更高的任务进入了就绪态，因为无法得到信号量，也不能使用该资源。在uC／OS中称为优先级反转。简单地说，就是高优先级任务必须等待低优先级任务的完成。在上述情况下，在2个任务之间发生优先级反转是无法避免的。所以在使用uC／OS时，必须对所开发的系统了解清楚才能选择对于某种共享资源是否使用信号量。

对于一个比较复杂的实时系统，并非所有的任务都至关重要，而大多是综合了软实时和硬实时两种需求。软实时系统只是要求系统尽可能执行得快，并不要求在某一特定时间内完成。硬实时系统中，任务不但要执行无误，而且要准时完成。因此给定优先级是涉及到系统调度效率的大问题，他又是和具体系统联系紧密的一项工作。

2 电梯系统的软件设计中的多任务划分

在一座高楼里面往往多台电梯并存，组成一个群控系统。因此各台电梯软件系统除了控制本台电梯的正常运行，还要与其他电梯交换数据，以便进行优化的调度，以减少乘客的等待时间并且节约能源。

特别地，每台电梯都关系到人员和设备安全，其系统可靠性非常重要。虽然其终的安全保障由一定的硬件设备来实施，例如在电梯完全失控下坠时，由安全钳把轿厢卡在轨道上；但是这些措施采用立刻停止电梯运行的方式，给乘客带来极大的震动和心理的不适，而且对设备也会造成一定的损伤。因此，软件系统应该在完成正常功能的同时，作为安全的道
防线，让电梯在故障情况下比较缓和的改变速度，减小对人员和设备的冲击。

2．1 硬件系统结构

软件系统其硬件架构如图1所示。

m台电梯采用CAN总线连接，各个主控器是对等的，而且每台电梯内部也是CAN总线。
2．2 软件设计

每台电梯的软件是一样的，其软件系统设计的优先级是：

(1)满足本机安全 即对于涉及到安全的信号要快的响应； (2)满足本机的正常控制 即正常控制电梯的操作状态和电动机的运转
；
(3)尽量及时地响应乘客的召唤 这里面有3个决定因素：一是对下位机的通信响应及时性；二是多个电梯之间的互相通信的及时性；三是调度算法的有效性。那么设计的任务级别如图2所示。

这是一个多链多任务系统，而且有几个任务是公共任务。优先级的安排是：

在某一个任务链中，重要的任务不希望被同一任务链中的其他任务中断，所以应该设置为优先级。

除了公共任务以外，任务链A中的任何的一个任务都比B中的任何一个任务优先级高。 不同任务链中的公共任务的设置原则是就高不就低。这种设置保证在优先级倒挂的情况下，别任务链中的任务运行多被阻塞。

系统的各个任务具有相对的独立性。为了增加系统的可靠性，设计一个超级任务用以监视几个重要的任务。其工作的原理是，在重要任务比如说TaskX里面增加下列代码，

TaskX()
{读定时器的值到全局变量X；
…
全局变量X清0；
延时；
}

uC／OS有一个系统时钟(一般为10～100Hz)，每次时钟中断时就执行一定的代码。而其中的OSTimeTickHook()是预留给开发者的。我们可以利用这个函数来做以下的事情： OSTimeTickHook()
{

if(当前定时器的值一全局变量X>=预定时间){
处理，
﹜
﹜

这样可以有效地防止系统因为个别任务内部出问题而全面崩溃，其实质是一种超时控制。

3 小 结

利用uC／OS提供的系统特征，可以简化多任务程序设计，满足多个任务的时间要求，大大降低了开发难度，轻松地完成前后台编程方法难以完成的任务。同时利用系统的定时中断，设计一个超级任务来对其他任务进行监控，从而也提高了系统的可靠性。当然我们也看到，程序的可读性和可维护性也提高了。