基于RTX51實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：相對(duì)與傳統(tǒng)的開發(fā)方式而言，用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)是一種效率更高的方式。現(xiàn)以道路交通燈控制系統(tǒng)為例。具體介紹了基于小型多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTX51開發(fā)軟件系統(tǒng)的方法和步驟，給出了系統(tǒng)的硬件電路及軟件設(shè)計(jì)方案。實(shí)踐測(cè)量表明，基于RTX51開發(fā)的軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和可靠性等方面都得到了提高。
關(guān)鍵詞：交通燈控制系統(tǒng)；實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；RTX51

O 引言
    一個(gè)高效的單片機(jī)智能控制系統(tǒng)，不僅要求系統(tǒng)能夠同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，對(duì)每個(gè)任務(wù)作出實(shí)時(shí)響應(yīng)，而且要求系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)隨機(jī)發(fā)生的外部事件，并對(duì)其作出快速處理。對(duì)于這樣的系統(tǒng)應(yīng)用，采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS(Real-time-Operating System)作為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)是一個(gè)良好的選擇，它可以靈活地安排系統(tǒng)資源，簡(jiǎn)化復(fù)雜的軟件設(shè)計(jì)，加快軟件的開發(fā)效率，大大縮短了項(xiàng)目的開發(fā)周期。道路交通燈是最常見的一種多任務(wù)控制系統(tǒng)，本文以此為倒，詳細(xì)闡述了51嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTX51開發(fā)軟件的方法和步驟。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
    交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)功能：
    (1)信號(hào)燈指示，即完成十字路口紅、黃、綠交通信號(hào)燈的控制。
    (2)時(shí)間顯示，各個(gè)信號(hào)燈持續(xù)的時(shí)間顯示。
    (3)緊急情況響應(yīng)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者有緊急情況是能夠及時(shí)響應(yīng)。
    根據(jù)以上功能要求，完整的交通燈控制系統(tǒng)硬件電路如圖l所示，主要由三部分模塊組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)模塊、紅綠色顯示模塊、倒計(jì)時(shí)顯示模塊、緊急中斷模塊。


     (1)單片機(jī)最小系統(tǒng)：包括時(shí)鐘電路和開關(guān)復(fù)位電路。單片機(jī)選用具有成本低廉且具有串口ISP下載功能的STC89C52單片機(jī)，晶振選用12 MHz。
    (2)信號(hào)燈指示電路：東西南北四個(gè)方向分別有紅、綠、黃三個(gè)狀態(tài)指示的燈，其中南北方向的紅綠黃發(fā)光二極管分別連接到P1．O～P1．2，東西方向的紅綠黃發(fā)光二極管分別連接到P1．3～P1．5。
    (3)倒計(jì)時(shí)顯示：每個(gè)交通燈狀態(tài)倒計(jì)時(shí)時(shí)間由兩位共陽數(shù)碼管顯示，八位段碼分別連接到P0．0～P2．7，兩位位選通過反向器分別連接到P3．4、P3．5。
    (4)緊急中斷：開關(guān)K1為緊急中斷開關(guān)，當(dāng)有特殊情況時(shí)按下K1，K1連接到單片機(jī)P3．2外部中斷O輸入端。

2 基于RTX51的軟件設(shè)計(jì)
    近年來，利用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的軟件已是大勢(shì)所趨。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的這類設(shè)計(jì)中，大多采用了中斷結(jié)合單任務(wù)的順序機(jī)制進(jìn)行，這種設(shè)計(jì)方法雖然比較直觀，但是也帶來了諸如穩(wěn)定性差、不便于調(diào)試等問題。尤其是當(dāng)系統(tǒng)比較復(fù)雜、實(shí)時(shí)性要求比較高時(shí)，這種單任務(wù)機(jī)制的缺陷更為明顯。利用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，程序開發(fā)者可以將復(fù)雜的系統(tǒng)分成多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)，從而分而治之，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性；通過對(duì)不同的任務(wù)賦以不同的優(yōu)先級(jí)，從而能夠保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；同時(shí)，由于軟件系統(tǒng)有多個(gè)任務(wù)組成，所以其模塊化程度好。提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性。因此，這里利用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTX51來進(jìn)行軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
2．1 RTX51實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)介紹
    RTX51是美國(guó)Keil公司開發(fā)的一種運(yùn)行于8051單片機(jī)環(huán)境中的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)(RTOS)，其常用于處理復(fù)雜的多任務(wù)控制系統(tǒng)。8051單片機(jī)支持典型的RTX-51Tiny和RTX-51 Full實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。在Keil μVison3集成開發(fā)環(huán)境中提供了RTX-51實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的編譯和仿真調(diào)試支持。
    在多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)中，合理的任務(wù)調(diào)度必不可少。單純通過提高處理器速度無法達(dá)到目的，這樣就要求嵌入式系統(tǒng)的軟件必須具有多任務(wù)調(diào)度能力。在微控制器應(yīng)用系統(tǒng)中通?？梢苑纸鉃槎鄠€(gè)相互獨(dú)立的功能模塊，在RTX51嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中將這些模塊劃分為任務(wù)，引入多任務(wù)機(jī)制管理。依據(jù)系統(tǒng)功能優(yōu)先級(jí)分配不同的任務(wù)，多個(gè)任務(wù)分別在各自的時(shí)間片內(nèi)訪問CPU，從而產(chǎn)生了微觀上輪流運(yùn)行、宏觀上并行運(yùn)行的多任務(wù)效果，保證了對(duì)外界的信息足夠快的速度進(jìn)行響應(yīng)處理，又能并行運(yùn)行多個(gè)任務(wù)，因此能很好完成對(duì)多個(gè)信息的實(shí)時(shí)測(cè)量、處理并進(jìn)行響應(yīng)的多個(gè)實(shí)時(shí)控制。
2．2 任務(wù)分配
    在本系統(tǒng)中，依據(jù)交通燈控制系統(tǒng)功能的分析，將整個(gè)軟件系統(tǒng)分解為以下三個(gè)任務(wù)，系統(tǒng)初始化、紅綠黃燈顯示、倒計(jì)時(shí)顯示。具體情況如下：
    任務(wù)0：用于系統(tǒng)初始化，開外部中斷0；啟動(dòng)任務(wù)1和任務(wù)2。
    任務(wù)1：紅綠黃信號(hào)指示燈控制，實(shí)現(xiàn)紅綠黃燈的五種狀態(tài)控制。狀態(tài)0：東西方向紅燈亮，同時(shí)南北方向綠燈亮，亮的時(shí)間為30 S；狀態(tài)1：東西方向紅燈亮，南北方向黃燈閃爍，時(shí)間為3 S；狀態(tài)2：東西方向綠燈亮，同時(shí)南北方向紅燈亮，時(shí)間為30 S；狀態(tài)3：東西方向黃燈閃爍，南北方向紅燈亮，時(shí)間為3 S；狀態(tài)4：當(dāng)緊急開關(guān)按下時(shí)，響應(yīng)緊急狀況或者故障狀態(tài)，東西南北四個(gè)方向紅燈均亮，時(shí)間為10S。
任務(wù)2：各個(gè)狀態(tài)指示燈倒計(jì)時(shí)顯示。兩個(gè)數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描顯示，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前交通指示燈狀態(tài)的倒計(jì)時(shí)時(shí)間。
2．3 程序設(shè)計(jì)
    依據(jù)任務(wù)分配，將三個(gè)任務(wù)分別規(guī)劃為_task_0，_task_1，_task_2，由于完整的程序較大，這里不便給出，只給出部分代碼，如下所示。




3 結(jié)束語
    本文以道路交通燈控制系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹了RTX51實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在單片機(jī)程序設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，RTX51實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)既能保證對(duì)外界的信息以足夠快的速度進(jìn)行處理，又能并行運(yùn)行多個(gè)任務(wù)，具有實(shí)時(shí)性和并行性的特點(diǎn)，因此能很好地完成對(duì)多個(gè)信息的實(shí)時(shí)測(cè)量、處理和進(jìn)行相應(yīng)的多個(gè)實(shí)時(shí)控制。此外，使用RTX51實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，降低了軟件編寫的復(fù)雜度，提高了產(chǎn)品的開發(fā)效率，方便了系統(tǒng)的維護(hù)和功能擴(kuò)展。