基于RTX51实时操作系统的交通灯控制系统的设计

摘要：相对与传统的开发方式而言，用实时操作系统进行开发是一种效率更高的方式。现以道路交通灯控制系统为例。具体介绍了基于小型多任务实时操作系统RTX51开发软件系统的方法和步骤，给出了系统的硬件电路及软件设计方案。实践测量表明，基于RTX51开发的软件系统，系统在实时性、稳定性和可靠性等方面都得到了提高。
关键词：交通灯控制系统；实时操作系统；RTX51

O 引言
    一个高效的单片机智能控制系统，不仅要求系统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。对于这样的系统应用，采用实时操作系统RTOS(Real-time-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，加快软件的开发效率，大大缩短了项目的开发周期。道路交通灯是最常见的一种多任务控制系统，本文以此为倒，详细阐述了51嵌入式实时操作系统RTX51开发软件的方法和步骤。

1 系统硬件电路设计
    交通信号灯控制系统主要实现以下三个功能：
    (1)信号灯指示，即完成十字路口红、黄、绿交通信号灯的控制。
    (2)时间显示，各个信号灯持续的时间显示。
    (3)紧急情况响应，当系统出现故障或者有紧急情况是能够及时响应。
    根据以上功能要求，完整的交通灯控制系统硬件电路如图l所示，主要由三部分模块组成：单片机最小系统模块、红绿色显示模块、倒计时显示模块、紧急中断模块。

     (1)单片机最小系统：包括时钟电路和开关复位电路。单片机选用具有成本低廉且具有串口ISP下载功能的STC89C52单片机，晶振选用12 MHz。
    (2)信号灯指示电路：东西南北四个方向分别有红、绿、黄三个状态指示的灯，其中南北方向的红绿黄发光二极管分别连接到P1．O～P1．2，东西方向的红绿黄发光二极管分别连接到P1．3～P1．5。
    (3)倒计时显示：每个交通灯状态倒计时时间由两位共阳数码管显示，八位段码分别连接到P0．0～P2．7，两位位选通过反向器分别连接到P3．4、P3．5。
    (4)紧急中断：开关K1为紧急中断开关，当有特殊情况时按下K1，K1连接到单片机P3．2外部中断O输入端。

2 基于RTX51的软件设计
    近年来，利用嵌入式实时操作系统来开发嵌入式系统的软件已是大势所趋。这是因为传统的这类设计中，大多采用了中断结合单任务的顺序机制进行，这种设计方法虽然比较直观，但是也带来了诸如稳定性差、不便于调试等问题。尤其是当系统比较复杂、实时性要求比较高时，这种单任务机制的缺陷更为明显。利用嵌入式实时操作系统，程序开发者可以将复杂的系统分成多个相对独立的任务，从而分而治之，降低了系统的复杂性；通过对不同的任务赋以不同的优先级，从而能够保证系统的实时性；同时，由于软件系统有多个任务组成，所以其模块化程度好。提高了系统的可维护性。因此，这里利用实时操作系统RTX51来进行软件系统的设计。
2．1 RTX51实时操作系统介绍
    RTX51是美国Keil公司开发的一种运行于8051单片机环境中的实时多任务操作系统(RTOS)，其常用于处理复杂的多任务控制系统。8051单片机支持典型的RTX-51Tiny和RTX-51 Full实时多任务操作系统。在Keil μVison3集成开发环境中提供了RTX-51实时操作系统的编译和仿真调试支持。
    在多任务嵌入式系统中，合理的任务调度必不可少。单纯通过提高处理器速度无法达到目的，这样就要求嵌入式系统的软件必须具有多任务调度能力。在微控制器应用系统中通常可以分解为多个相互独立的功能模块，在RTX51嵌入式实时操作系统中将这些模块划分为任务，引入多任务机制管理。依据系统功能优先级分配不同的任务，多个任务分别在各自的时间片内访问CPU，从而产生了微观上轮流运行、宏观上并行运行的多任务效果，保证了对外界的信息足够快的速度进行响应处理，又能并行运行多个任务，因此能很好完成对多个信息的实时测量、处理并进行响应的多个实时控制。
2．2 任务分配
    在本系统中，依据交通灯控制系统功能的分析，将整个软件系统分解为以下三个任务，系统初始化、红绿黄灯显示、倒计时显示。具体情况如下：
    任务0：用于系统初始化，开外部中断0；启动任务1和任务2。
    任务1：红绿黄信号指示灯控制，实现红绿黄灯的五种状态控制。状态0：东西方向红灯亮，同时南北方向绿灯亮，亮的时间为30 S；状态1：东西方向红灯亮，南北方向黄灯闪烁，时间为3 S；状态2：东西方向绿灯亮，同时南北方向红灯亮，时间为30 S；状态3：东西方向黄灯闪烁，南北方向红灯亮，时间为3 S；状态4：当紧急开关按下时，响应紧急状况或者故障状态，东西南北四个方向红灯均亮，时间为10S。
任务2：各个状态指示灯倒计时显示。两个数码管采用动态扫描显示，实时显示当前交通指示灯状态的倒计时时间。
2．3 程序设计
    依据任务分配，将三个任务分别规划为_task_0，_task_1，_task_2，由于完整的程序较大，这里不便给出，只给出部分代码，如下所示。

3 结束语
    本文以道路交通灯控制系统为例，详细介绍了RTX51实时操作系统在单片机程序设计中的应用。系统实际运行结果表明，RTX51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，因此能很好地完成对多个信息的实时测量、处理和进行相应的多个实时控制。此外，使用RTX51实时操作系统，降低了软件编写的复杂度，提高了产品的开发效率，方便了系统的维护和功能扩展。