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项目实战-外卖自提柜 3. FreeRTOS主要API的应用

2023-05-16

项目实战-外卖自提柜 1.项目介绍、协议制定
项目实战-外卖自提柜 2. CubeMX + FreeRTOS入门
项目实战-外卖自提柜 3. FreeRTOS主要API的应用
项目实战-外卖自提柜 4. FreeRTOS 堆栈分配、调试技巧
项目实战-外卖自提柜 5. ESP8266 01S配置与掉线处理
项目实战-外卖自提柜 6. 硬件工作与测试（原理图、PCB绘制、测试视频）

一、第一个任务

        初步入门FreeRTOS以后，着重解决通信部分，重新梳理一下与服务器通信部分的需求：

1、设备端和服务器通信，发送方每发送一条指令，接收方都要在收到后返回一个应答帧，发送方收到应答帧后，才判断此次通信正常，若规定时间内未收到应答帧，则重新发送。
2、另外需要注意的是，发送方在等待接收方返回应答帧时，不能阻塞系统运行，也就是说，即便当前有一帧数据在等待应答，也不影响下一帧数据的发送，且理论上应该保证同时在等待应答的帧的数量不受限制。

        根据上述需求，显而易见的，应当把每一帧的发送单独作为一个任务，这个任务对这一帧进行监听，并控制重发。只要系统还有足够的剩余栈，就可以不断地创建新的发送任务，这样就可以保证最大限度地使用硬件资源保证每一帧的通信【并行】。
        刚好，FreeRTOS创建任务时是可以传入一个参数的，这个参数就可以传入我们要发送的数据。
        第一个任务诞生了：

数据发送任务:

/**
  * @brief  数据发送任务
  * @note	需要向服务器发送一条指令时，就创建一个发送任务，特点是等待回复和重发时不会阻塞其他任务进行
  * @param  argument：要发送的数据
  * @retval None
  */
void SendData_Task(void const * argument)
{
	//待添加
	for(;;)
	{
		//待添加
	}
}

下面来构思函数体中要写些什么

首先，肯定是要发送数据了，发送数据之前，有一件事要考虑，由于传入的是argument是指针，这个任务在进行过程中，这个指针指向的内容很可能被其他任务更改，所先需要先申请空间来拷贝要发送的数据
再来回顾一下帧格式：
帧头 + Length + CmdId + DevId + Content + FrameId + 校验和

成分描述
帧头0x0a 0x0a 0x0a 0x0a
Length指令字节数总长度，包括其本身和校验和，两个字节的无符号short类型，顺序为 [低字节，高字节]
CmdId指令的Id , 一个字节的无符号byte类型
DevId目标设备的Id,两个字节的无符号short类型，顺序为 [低字节，高字节]
Content该条指令包含的详细信息
FrameId每一帧的唯一Id，两字节无符号short类型，顺序为[低字节，高字节]
校验和一字节有符号byte类型

我们通过上述的Length获取数据长度，然后用FreeRTOS提供的API:
pvPortMalloc 申请内存，这个函数与C语言的malloc的区别是，前者从FreeRTOS的TOTAL_HEAP_SIZE中申请空间，而后者是从系统的堆（heap）中申请空间。
详细的分析看这篇博客：
https://www.cnblogs.com/LinTeX9527/p/8007541.html

数据发送任务的前几行代码有着落了：

void SendData_Task(void const * argument)
{
	uint8_t *Data;				//创建指针
	uint16_t Data_Len = 0;		//数据长度
	Data_Len = ((uint16_t*)argument)[0];//获取数据长度
	Data = pvPortMalloc(Data_Len-1);	//申请内存,去掉校验和1字节
	memcpy(Data,(uint8_t*)argument,sizeof(uint8_t)*(Data_Len-1));	//复制数组,去掉校验和
	for(;;)
	{
		//待添加
	}
}

二、互斥量的使用

        当然，如果这里严谨一点的话，你会发现，即便这里进行了数据拷贝，但拷贝也不是一瞬间完成的，所以拷贝的时候，这段数据仍然不是安全的，仍可能被更改，下面就用到FreeRTOS的另一个功能了： 互斥量

        正如其名，一个资源在被一个任务访问时，不能再被另一个任务访问，就叫互斥。
        通过下面两个函数实现互斥：

osMutexWait(mutex_CopyData_h, osWaitForever);	//等待互斥量被释放
osMutexRelease(mutex_CopyData_h);	//释放互斥量

        其中mutex_CopyData_h是互斥量的句柄（可以看作是名称），osWaitForever表示一直阻塞等待，直到互斥量被释放。

        如何使用呢？
        按照上述情形举例，我们要在拷贝数据时用互斥量进行保护，数据发送任务就改进为下面这种形式：

/**
  * @brief  数据发送任务
  * @note	需要向服务器发送一条指令时，就创建一个发送任务，特点是等待回复和重发时不会阻塞其他任务进行
  * @param  argument：要发送的数据
  * @retval None
  */
void SendData_Task(void const * argument)
{
	uint8_t *Data;				//申请内存指针
	uint16_t Data_Len = 0;		//数据长度
	Data_Len = ((uint16_t*)argument)[0];//获取数据长度
	Data = pvPortMalloc(Data_Len-1);	//申请内存,去掉校验和1字节
	osMutexWait(mutex_CopyData_h, osWaitForever);	//等待互斥量被释放
	/*被互斥量保护的区域*/
	memcpy(Data,(uint8_t*)argument,sizeof(uint8_t)*(Data_Len-1));	
	/*被互斥量保护的区域*/
	osMutexRelease(mutex_CopyData_h);	//释放互斥量
	for(;;)
	{
		//待添加发送函数
	}
}

        osMutexWait和osMutexRelease之间，就是我们希望保护的位置。当然这只完成了一半，同样的，我们需要在存在数据覆盖风险的位置设置互斥量的保护区。

        例如下面：传入数据发送任务的参数是名为Data_Buf的数组

osThreadDef(DATA_SEND_TASK_H,SendData_Task, osPriorityHigh,0, 128);	//心跳帧重发任务的宏
osThreadCreate(osThread(DATA_SEND_TASK_H),Data_Buf)

        那么我需要在修改Data_Buf的位置设置互斥量保护区：

osMutexWait(mutex_CopyData_h, osWaitForever);	//等待互斥量被释放
Data_Buf[0] = 0;
osMutexRelease(mutex_CopyData_h);	//释放互斥量

        被互斥量保护的区域，同时只能被一个任务访问，直到这个任务释放互斥量，下一个任务才能访问。这样，我们就可以保证拷贝数据的时候，数据不会被误修改。

三、消息队列的使用

        我们继续完善数据发送任务，回到需求分析，数据发送任务除了需要完成数据发送，还需要监听是否收到与此帧数据匹配的应答帧。如果同时有好几个数据发送任务在等待应答帧，这时候收到了一条应答帧，对于某一个数据发送任务来说，如何判断这条应答帧是发给自己的呢？

        上翻查阅数据帧格式的表格，可以看到，每一帧数据有唯一的FrameId，回复帧也有FrameId，它的FrameId与它要回复的数据帧的FrameId相同。对于某一个数据发送任务来说，它只需要与收到的回复帧的FrameId进行匹配，若与自己的Frame相同，则判断这个回复帧是回复给自己的，如果是回复给自己的，这个数据发送任务就完成了自己的使命，可以把自己删除了。所以当有多帧数据同时等待回复帧时，需要开设一个缓存区，存放收到的回复帧的FrameId，供数据发送任务查询。

        这个缓存区，就交给 消息队列来完成。FreeRTOS对消息队列的处理，我用到了下面几个API：

//查询队列中元素的个数
osMessageWaiting(MsgBox_Frame_Id_Handle);
//获取并删除队列中的一个元素
osMessageGet(MsgBox_Frame_Id_Handle,osWaitForever);
//向队列存放一个元素
osMessagePut(MsgBox_Frame_Id_Handle,evt.value.v,osWaitForever);
  • MsgBox_Frame_Id_Handle是这个队列的句柄
  • osWaitForever表示这个函数执行的超时时间，超过了这个值就会自动退出，这里是永久等待
  • evt.value.v是要向队列里存入的元素

        如何实现查询队列中是否有与自己匹配的FrameId呢？

        我的思路是，先通过osMessageWaiting读出当前队列中元素的数量N，进入循环，每个循环中，使用osMessageGet取出一个元素，由于队列是先进先出，所以这个元素是从队列头部取出的，判断是否匹配，如果匹配，皆大欢喜，这个数据发送任务就解脱了；如果不匹配，再将这个元素用osMessagePut重新加入到队列尾部，这样循环N次，就相当于把队列查询了一遍。

        数据发送任务就基本完成了：

/**
  * @brief  数据发送任务
  * @note	需要向服务器发送一条指令时，就创建一个发送任务，特点是等待回复和重发时不会阻塞其他任务进行
  * @param  argument：要发送的数据
  * @retval None
  */
void SendData_Task(void const * argument)
{
	uint8_t *Data;				//申请内存指针
	uint16_t Data_Len = 0;		//数据长度
	Data_Len = ((uint16_t*)argument)[0];//获取数据长度
	uint16_t FrameId = 0;		//帧Id
	uint32_t MsgBox_Data_Num = 0;//队列中有效数据的数量
	osEvent evt;				//存放osMessageGet的返回值
	Data = pvPortMalloc(Data_Len-1);	//申请内存,去掉校验和1字节
	osMutexWait(mutex_CopyData_h, osWaitForever);	//等待互斥量被释放
	/*被互斥量保护的区域*/
	memcpy(Data,(uint8_t*)argument,sizeof(uint8_t)*(Data_Len-1));	
	/*被互斥量保护的区域*/
	osMutexRelease(mutex_CopyData_h);	//释放互斥量
	FrameId = (uint16_t)Data[Data_Len-2]<<8|(uint16_t)Data[Data_Len-3];	//装载这一帧数据的FrameId
	for(;;)
	{
		osMutexWait(mutex_id_Resend, osWaitForever);//获取互斥量，防止其他的数据发送任务打断
		MsgBox_Data_Num = osMessageWaiting(MsgBox_Frame_Id_Handle);	//获取当前队列数量
		if(MsgBox_Data_Num != 0)		//如果队列非空
		{
			for(i=0;i<MsgBox_Data_Num;i++)
			{
				evt = osMessageGet(MsgBox_Frame_Id_Handle,100);	//从队列中取出一个元素
				if(evt.value.v == FrameId)		//如果FrameId匹配
				{
					/****删除任务****/
					osMutexRelease(mutex_id_Resend);	//释放令牌
					vPortFree(Data);					//释放内存
					osThreadTerminate (NULL);			//删除本任务
				}
				else		//如果不匹配
				{
					osMessagePut(MsgBox_Frame_Id_Handle,evt.value.v,500) //存回队列尾
				}
			}
		}
		User_SendData(Data,Data_Len);	//发送数据
		osMutexRelease(mutex_id_Resend);//释放互斥量
		osDelay(5000);	//每5s检测一次
	}
}

        除了上面的思路，我这里还使用了一个互斥量，用以保护整个发送过程，因为当有多个数据发送任务都再执行时，队列的取出和放回动作可能会被打断，出现某种极端情况。

        例如任务A刚刚从队列中取出一个元素，发现跟自己的FrameId不匹配，但还没来得及放回去，CPU控制权就被任务B抢去了，任务B查询的时候，就少了这个任务A取走的元素，造成误判。
        另外，发送数据是通过串口的，执行时间也比较长，如果发送时被打断，可能造成不可预估的后果，所以使用互斥量进行保护是十分有必要的。

        在整个项目中，主要用到的就是上面几个API，数据发送任务，也是仅有的稍显复杂的任务，另外还有一些调试用的API，下一节更新。

 

四、任务划分

        根据功能划分了下面几个任务

  1. 人机交互任务：
    包括按键扫描、LCD显示、蜂鸣器扫描，优先级较低

  2. 无线模块管理任务：
    包括检测到服务器离线时，对WIFI模块/GPRS模块进行重新初始化，切换wifi网络或运营商网络模式等，优先级最高

  3. TCP透传发送任务
    当要发送一帧数据时，该任务被创建，发送一帧数据，并对这帧数据进行监听，等待接收方回复，若未收到回复，则重新发送，通信完成则删除本任务。优先级较高

  4. TCP接收数据解析任务
    由接收中断触发，解析数据，执行相应操作，优先级最高

        这里简单列两个
        人机交互任务：

/**
  * @brief  人机交互任务
  * @note	包括按键扫描、LCD显示、蜂鸣器鸣叫
  * @param  argument：任务参数（未用到）
  * @retval None
  */
void Interactive_Task(void const * argument)
{
	for(;;)
	{
		/**矩阵键盘扫描**/
		/**键值处理**/
		/**LCD显示**/
		/**蜂鸣器扫描**/
		osDelay(20);
	}
}

        无线模块管理任务：

/**
  * @brief  无线模块管理任务
  * @note	检测服务器是否离线，若离线则重新初始化无线模块
  * @param  argument：任务参数（未用到）
  * @retval None
  */
void WirelessCTR_Task(void const * argument)
{
	osDelay(1000);		//等待ESP8266上电
	for(;;)
	{
		if(server_sta == SERVER_OFF_LINE)	//服务器离线
		{
//			osThreadSetPriority(NULL,osPriorityHigh);	//调高优先级，防止打断
			esp8266_init();		//初始化esp8266
//			osThreadSetPriority(NULL,osPriorityNormal);	//调低优先级
		}
		osDelay(20);
	}
}

代码和硬件都打包上传至立创开源社区了：
https://oshwhub.com/doee/wai-mai-zi-ti-gui-she-bei-duan-z

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https://blog.csdn.net/weixin_44578655/article/details/105969808

 

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