基于Small RTOS51的肠营养液输液系统设计

随着各种电子系统在各个领域中应用的不断深入，对电子系统本身的要求也越来越高，尤其对于控制系统软件设计的可靠性、实时响应等各个方面的性能有了更严格的要求。单片机的程序设计不再是前后台的运行模式，而是采用多任务实时操作系统的设计思想。由于使用嵌入式操作系统，可以将具体应用分解成多个任务，简化了应用系统软件的设计，使控制系统的实时性得到保证，使其达到理想状态。良好的多任务设计，还有助于提高系统的稳定性和可靠性。

目前，国内应用最多的是以51系列单片机为主的8位单片机。在51系列单片机系统中，可以进行移植的嵌入式操作系统为数不多。其中，Keil自带的RTX51没有源代码，使用起来很不方便；uC/OSII虽然有源代码，也有移植成的例子，但是，它对于51系列单片机系统的资源占用过大，需要外扩RAM，而且要保证每个函数的可重入性，使用起来比较勉强。Small RTOS51是专门为小RAM系统设计的占先式内核，占用资源少、实时性好，应用在本系统上非常合适。

1 系统功能及硬件描述

1．1 系统的功能描述

对于处于昏迷状态或食道进行手术的病人，需要一种按时、按量对病人进行肠营养液输入的智能型肠营养液输液泵，以达到维持病人生命的目的。本文介绍的智能型肠营养输液泵（以下简称营养泵）主要实现以下功能：

• 根据要求，可以设定输入营养液的总量、流速、温度等参数，并且在运行过程中可以任意修改；
• 根据指令，自动检测和控制营养液的流量和流速，并将数据反馈给主程序；
• 根据设定营养液的温度，自动检测和控制营养液的温度，并将温度数据反馈给主程序；
• 在出现营养液的温度、流量和流速异常时，发出声、光报警信号；
• 使用LCD显示各种数据，随时查看已经输入营养液的数量、温度、流量和流速；
  营养泵主要由220VAC供电，同时备有应急充电电池，一次充电可以连续运行12小时以上，以备医院紧急停时使用。

1．2 系统的硬件描述

本营养泵的电路原理框图如图1所示。



系统的主控CPU采用Philips公司的89C51RD2，实现系统的多任务控制；LCD采用北京青云的LCM12232B液晶模块，显示液体的控制参数；控制温度的DAC采用TI公司的TLC5615，使营养液温度误差达到0.1℃以内；电池容量和温度的反馈值均为模拟电压，采用A/D，转换后，送入CPU；A/D转换器使用的是TI公司的TLC1543；应急电池充电电路，采用Linear公司的LTC4006，充电电压为12.6V，电池容量为4000mAh；营养液流量反馈，采用红外线对管，直接由CPU记数；营养泵电机使用直流电动机，采用控制电机运行和停止时间的方法对转速进行闭环控制，以达到控制液体流量的目的。

2 Small RTOS51简介

Small RTOS51是一个专门为51系列单片机设计的嵌入式实时操作内核，使用Keil编译器可以直接使用其代码，它有如下特点。

• 公开源代码。只要遵循许可协议，任何人可以免费获得源泉代码，便于用户的二次开发。
• 可移植性。用户可以把与CPU有关的控制指令压缩到最小，把大部分精力放在CPU的控制程序上。可以使用ANSI C编写应用程序，不仅简化了编程手段，而且便于程序移植。
• 可固化性。Small RTOS51为嵌入式系统设计，可以嵌入到产品中，成为产品的一部分。
• 占先式运行。Small RTOS51可以管理16个用户任务，每个任务可以设置不同的优先级。Small RTOS51总是运行优先级最高的任务。
• 中断管理。采用中断管理方式，当有更高级的中断申请时，将目前正在执行的任务挂起。如果优先级更高的任务被中断唤醒，则高优先级的任务在中断嵌套结束后立刻执行。中断嵌套层数可达255层。如果需要，还可以禁止中断的嵌套管理。
• RAM需求小。SmallRTOS51为小RAM的系统设计，因而对RAM的需求只有几百字节，相应的系统服务也少。

3 系统的软件实现

按照系统所要实现的功能，将整个系统划分为几个并行的任务，占先式操作内核对任务的调度是按照任务优先权的高低进行。本文中，将系统划分为9个任务，按其优先级从高到低的顺序排列依次是：报警任务、温控任务、按键输入任务、主控制任务、电机运行任务、流量控制任务、记时任务、液晶显示任务和电池电量检测任务。系统上电以后进入主程序，首先对系统进行自检并任务，启动9个程，此时系统的运行就由Small RTOS51来接管。

3．1 报警任务

由于本文所述的营养泵，主要应用在危重病人的看护中，所以将报警任务在放在最重要的位置。报警程序由一个全局变量setbaojing来控制，其不断检测温控程序、流量控制程序和电池电量检测程序的输出值。当上述程序出现故障报警信号时，setbaojing为1，报警程序立即使蜂鸣器和报警灯工作，并在液晶屏幕上显示出现故障的名称，直到有人来清除故障后，才可以正常运行。