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【花雕学编程】Arduino RTOS 之数据队列的创建

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Arduino是一个开放源码的电子原型平台，它可以让你用简单的硬件和软件来创建各种互动的项目。Arduino的核心是一个微控制器板，它可以通过一系列的引脚来连接各种传感器、执行器、显示器等外部设备。Arduino的编程是基于C/C++语言的，你可以使用Arduino IDE（集成开发环境）来编写、编译和上传代码到Arduino板上。Arduino还有一个丰富的库和社区，你可以利用它们来扩展Arduino的功能和学习Arduino的知识。

Arduino的特点是：
1、开放源码：Arduino的硬件和软件都是开放源码的，你可以自由地修改、复制和分享它们。
2、易用：Arduino的硬件和软件都是为初学者和非专业人士设计的，你可以轻松地上手和使用它们。
3、便宜：Arduino的硬件和软件都是非常经济的，你可以用很低的成本来实现你的想法。
4、多样：Arduino有多种型号和版本，你可以根据你的需要和喜好来选择合适的Arduino板。
5、创新：Arduino可以让你用电子的方式来表达你的创意和想象，你可以用Arduino来制作各种有趣和有用的项目，如机器人、智能家居、艺术装置等。

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Arduino FreeRTOS是一个结合了Arduino平台和FreeRTOS实时操作系统（RTOS）的概念。为了全面详细地解释这个概念，我们可以从以下几个方面进行阐述：

一、Arduino平台
Arduino是一个开源的硬件和软件平台，旨在简化电子设备的原型设计和开发。它包含了一系列基于易用硬件和软件的微控制器，以及一个用于编写和上传代码的集成开发环境（IDE）。Arduino平台以其简洁的编程接口和丰富的扩展功能，成为了电子爱好者、设计师、工程师和艺术家们的首选工具。

二、FreeRTOS实时操作系统（RTOS）
FreeRTOS是一个开源的、轻量级的实时操作系统内核，专为嵌入式设备设计。它提供了任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、软件定时器等一系列功能，以满足较小系统的需求。FreeRTOS以其源码公开、可移植、可裁减和调度策略灵活的特点，受到了广大嵌入式开发者的青睐。

三、Arduino FreeRTOS
1、定义：Arduino FreeRTOS是指在Arduino平台上运行FreeRTOS实时操作系统的解决方案。它允许开发者在Arduino设备上实现多任务并行处理，从而提高程序的灵活性和响应性。

2、功能：
多任务处理：使用FreeRTOS，开发者可以在Arduino上同时运行多个任务，每个任务独立执行不同的操作。这有助于将复杂的项目分解为多个并发执行的部分，从而提高开发效率。
实时性要求高的应用：FreeRTOS能够确保任务按照预定的时间约束执行，满足实时性要求。通过设置任务的优先级和时间片轮转调度策略，开发者可以控制任务的执行顺序和频率。
通信与同步：FreeRTOS提供了多种通信和同步机制，如队列、信号量、互斥锁等。这些机制有助于在不同的任务之间进行数据交换和同步操作，实现任务之间的协作。
低功耗应用：FreeRTOS提供了休眠和唤醒机制，有助于优化功耗。开发者可以将某些任务设置为休眠状态，在需要时唤醒它们来执行操作，从而减少功耗。

3、优势：
提高程序的复杂性和功能：通过多任务并行处理，Arduino FreeRTOS允许开发者实现更复杂的软件架构和更高效的代码执行。
增强实时性：FreeRTOS确保了任务的实时响应，这对于需要精确时间控制的应用至关重要。
简化编程：将复杂的逻辑分解为多个任务，使得代码更易于理解和维护。
移植性：FreeRTOS支持多种微控制器平台，使得基于FreeRTOS的项目在不同硬件间的移植变得更加容易。

4、注意事项：
虽然FreeRTOS带来了多任务的优势，但也会增加编程难度和调试工作。因此，在选择是否使用FreeRTOS时，开发者需要权衡利弊。
在使用FreeRTOS时，开发者需要注意任务堆栈大小、优先级设置等参数，以确保系统的稳定性和可靠性。
综上所述，Arduino FreeRTOS是一个结合了Arduino平台和FreeRTOS实时操作系统的强大解决方案。它允许开发者在Arduino设备上实现多任务并行处理，提高程序的复杂性和功能，同时保持代码的可读性和可靠性。

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Arduino RTOS 之数据队列的创建
在 Arduino RTOS（如 Arduino Port of FreeRTOS）中，数据队列（Queue）是一种重要的任务间通信机制，用于在不同任务之间安全地传递数据。队列是一种先进先出（FIFO）的数据结构，支持任务之间的同步和数据传递。

一、数据队列的主要特点
固定大小：队列具有固定大小，即最大容量，队列长度定义为队列中项（item）的数量。

阻塞式读写：任务可以阻塞式（阻塞任务直到操作完成）或非阻塞式（立即返回）向队列写入数据或从队列读取数据。

可配置的长度：队列长度可以根据应用需求进行配置，以平衡内存使用和系统响应。

支持多种数据类型：队列可以存储任意数据类型，包括基本数据类型（如 int, float等）和指针。

优先级继承：FreeRTOS 队列实现支持优先级继承，可以避免优先级反转问题，提高系统实时性。

二、应用场景
传感器数据收集：多个任务负责从不同传感器读取数据，并将数据存入队列，另一个任务从队列中读取数据进行处理。

任务间消息传递：不同任务之间通过队列传递消息，实现松耦合设计。

外部设备中断处理：中断服务 routine（ISR）将中断事件存入队列，任务从队列中读取事件进行处理，避免 ISR 中执行耗时操作。

生产者-消费者模型：一个或多个生产者任务将数据存入队列，一个或多个消费者任务从队列中取出数据进行处理。

三、需要注意的事项
队列长度设置：队列长度应根据应用需求合理设置，过长的队列会占用过多内存，过短的队列可能导致队列溢出（写入失败）或空（读取失败）。

阻塞时间设置：任务阻塞式写入或读取队列时，应设置合理的超时时间，避免任务因长时间阻塞导致系统僵死。

数据完整性：写入队列的数据在读取之前不会被修改，但读取数据的任务应确保数据的正确性和完整性，尤其是在多任务访问的情况下。

内存管理：如果队列存储的是指针，则需要确保指针指向的内存空间的有效性，避免野指针问题。

优先级继承配置：优先级继承机制会增加调度开销，如果系统对实时性要求不高，可以关闭优先级继承以节省资源。

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1、基本数据队列使用

#include <Arduino_FreeRTOS.h>

QueueHandle_t queue;

void producerTask(void *pvParameters) {
    int value = 0;
    for (;;) {
        value++;
        xQueueSend(queue, &value, portMAX_DELAY); // 发送数据到队列
        Serial.print("Produced: ");
        Serial.println(value);
        vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS); // 延迟1秒
    }
}

void consumerTask(void *pvParameters) {
    int receivedValue;
    for (;;) {
        if (xQueueReceive(queue, &receivedValue, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {
            Serial.print("Consumed: ");
            Serial.println(receivedValue);
        }
    }
}

void setup() {
    Serial.begin(9600);
    queue = xQueueCreate(10, sizeof(int)); // 创建一个可以容纳10个整数的队列
    xTaskCreate(producerTask, "Producer", 100, NULL, 1, NULL);
    xTaskCreate(consumerTask, "Consumer", 100, NULL, 1, NULL);
}

void loop() {
    // 主循环为空
}

2、队列中的结构体数据传递

#include <Arduino_FreeRTOS.h>

struct Data {
    int id;
    float value;
};

QueueHandle_t queue;

void producerTask(void *pvParameters) {
    Data data;
    for (;;) {
        data.id++;
        data.value = random(0, 100) / 10.0; // 随机生成值
        xQueueSend(queue, &data, portMAX_DELAY); // 发送数据到队列
        Serial.print("Produced: ID=");
        Serial.print(data.id);
        Serial.print(", Value=");
        Serial.println(data.value);
        vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS); // 延迟1秒
    }
}

void consumerTask(void *pvParameters) {
    Data receivedData;
    for (;;) {
        if (xQueueReceive(queue, &receivedData, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {
            Serial.print("Consumed: ID=");
            Serial.print(receivedData.id);
            Serial.print(", Value=");
            Serial.println(receivedData.value);
        }
    }
}

void setup() {
    Serial.begin(9600);
    queue = xQueueCreate(10, sizeof(Data)); // 创建一个可以容纳10个Data结构的队列
    xTaskCreate(producerTask, "Producer", 100, NULL, 1, NULL);
    xTaskCreate(consumerTask, "Consumer", 100, NULL, 1, NULL);
}

void loop() {
    // 主循环为空
}

3、队列超时处理

#include <Arduino_FreeRTOS.h>

QueueHandle_t queue;

void producerTask(void *pvParameters) {
    int value = 0;
    for (;;) {
        value++;
        if (xQueueSend(queue, &value, pdMS_TO_TICKS(500)) != pdTRUE) { // 超时500毫秒
            Serial.println("Producer: Queue is full, message dropped.");
        } else {
            Serial.print("Produced: ");
            Serial.println(value);
        }
        vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS); // 延迟1秒
    }
}

void consumerTask(void *pvParameters) {
    int receivedValue;
    for (;;) {
        if (xQueueReceive(queue, &receivedValue, pdMS_TO_TICKS(3000)) == pdTRUE) { // 等待3000毫秒
            Serial.print("Consumed: ");
            Serial.println(receivedValue);
        } else {
            Serial.println("Consumer: Timeout waiting for data.");
        }
    }
}

void setup() {
    Serial.begin(9600);
    queue = xQueueCreate(5, sizeof(int)); // 创建一个可以容纳5个整数的队列
    xTaskCreate(producerTask, "Producer", 100, NULL, 1, NULL);
    xTaskCreate(consumerTask, "Consumer", 100, NULL, 1, NULL);
}

void loop() {
    // 主循环为空
}

要点解读
数据队列的基本概念: 数据队列是一种用于任务间通信的机制，允许一个任务将数据发送到队列中，而另一个任务从队列中接收数据。所有案例中均使用 xQueueSend() 和 xQueueReceive() 函数来发送和接收数据。
队列的创建与管理: 在 setup() 函数中，使用 xQueueCreate() 创建队列。队列的大小和数据类型在创建时指定。案例 1 中创建的队列可以容纳 10 个整数，而案例 2 创建的队列可以容纳 10 个 Data 结构体。
结构体数据传递: 案例 2 展示了如何使用队列传递复杂数据结构。通过定义一个结构体 Data，可以在队列中传递多个相关数据字段，提高了数据的组织性和可读性。
超时处理机制: 案例 3 中引入了队列的超时处理机制。当队列满时，生产者任务会超时并打印消息，避免了潜在的阻塞。消费者任务在等待数据时也设定了超时，确保系统能够处理没有数据到达的情况。
调试与监控: 在每个任务中，使用 Serial.print 打印调试信息，方便观察生产者和消费者的状态以及队列数据的流动。这有助于调试和优化任务间的通信逻辑。

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4、传感器数据收集

#include <Arduino.h>
#include "FreeRTOS.h"
#include "queue.h"
#include "task.h"

QueueHandle_t sensorQueue;

void vSensorTask(void *pvParameters) {
  uint16_t sensorReading;
  for( ;; ) {
    sensorReading = analogRead(A0); // 读取模拟引脚0的数据
    if(xQueueSend(sensorQueue, &sensorReading, portMAX_DELAY) == pdPASS) {
      Serial.println("传感器数据已发送到队列");
    } else {
      Serial.println("发送传感器数据失败");
    }
    vTaskDelay(100 / portTICK_PERIOD_MS); // 延迟100毫秒
  }
}

void vDataProcessingTask(void *pvParameters) {
  uint16_t receivedData;
  for( ;; ) {
    if(xQueueReceive(sensorQueue, &receivedData, portMAX_DELAY) == pdPASS) {
      Serial.print("接收传感器数据: ");
      Serial.println(receivedData);
      // 在此处处理数据
    } else {
      Serial.println("接收数据失败");
    }
    vTaskDelay(200 / portTICK_PERIOD_MS); // 延迟200毫秒
  }
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  sensorQueue = xQueueCreate(10, sizeof(uint16_t));
  if(sensorQueue == NULL) {
    Serial.println("队列创建失败");
    while(1);
  }
  xTaskCreate(vSensorTask, "SensorTask", 128, NULL, 1, NULL);
  xTaskCreate(vDataProcessingTask, "DataProcessingTask", 128, NULL, 1, NULL);
}

void loop() {
  // 无操作
}

要点解读:

队列创建: xQueueCreate(10, sizeof(uint16_t)) 创建一个能容纳10个uint16_t类型数据的队列。

任务创建: 创建两个任务，一个读取传感器数据，另一个处理数据，堆栈大小为128，优先级为1。

数据发送: 在传感器任务中，使用xQueueSend将数据发送到队列，portMAX_DELAY表示任务无限期等待队列空闲。

数据接收: 在数据处理任务中，使用xQueueReceive从队列接收数据，同样使用portMAX_DELAY。

错误处理: 检查队列操作返回值，确保操作成功。

5、任务通信（按钮控制LED）

#include <Arduino.h>
#include "FreeRTOS.h"
#include "queue.h"
#include "task.h"

QueueHandle_t commandQueue;
#define LED_PIN 2
#define BUTTON_PIN 3

typedef enum { CMD_ON, CMD_OFF } command_t;

void vButtonTask(void *pvParameters) {
  bool previousButtonState = HIGH;
  command_t cmd;
  for( ;; ) {
    bool currentButtonState = digitalRead(BUTTON_PIN);
    if(currentButtonState != previousButtonState) {
      if(currentButtonState == LOW) { // 按钮按下
        cmd = CMD_ON;
      } else {
        cmd = CMD_OFF;
      }
      if(xQueueSend(commandQueue, &cmd, portMAX_DELAY) == pdPASS) {
        Serial.println("命令已发送到队列");
      } else {
        Serial.println("发送命令失败");
      }
      previousButtonState = currentButtonState;
    }
    vTaskDelay(20 / portTICK_PERIOD_MS); // 防抖延迟
  }
}

void vLEDTask(void *pvParameters) {
  command_t cmd;
  for( ;; ) {
    if(xQueueReceive(commandQueue, &cmd, portMAX_DELAY) == pdPASS) {
      switch(cmd) {
        case CMD_ON:
          digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
          Serial.println("LED 开");
          break;
        case CMD_OFF:
          digitalWrite(LED_PIN, LOW);
          Serial.println("LED 关");
          break;
        default:
          Serial.println("未知命令");
          break;
      }
    } else {
      Serial.println("接收命令失败");
    }
  }
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
  pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP);
  commandQueue = xQueueCreate(5, sizeof(command_t));
  if(commandQueue == NULL) {
    Serial.println("队列创建失败");
    while(1);
  }
  xTaskCreate(vButtonTask, "ButtonTask", 128, NULL, 2, NULL);
  xTaskCreate(vLEDTask, "LEDTask", 128, NULL, 1, NULL);
}

void loop() {
  // 无操作
}

要点解读:

队列创建: xQueueCreate(5, sizeof(command_t)) 创建一个能容纳5个command_t类型命令的队列。

任务优先级: 按钮任务优先级高于LED任务，确保按钮事件及时处理。

命令发送: 按钮任务检测按钮状态变化，发送相应命令到队列。

命令接收: LED任务从队列接收命令并控制LED状态。

防抖处理: 按钮任务中加入20毫秒延迟，减少按钮抖动影响。

6、中断处理

#include <Arduino.h>
#include "FreeRTOS.h"
#include "queue.h"
#include "task.h"

QueueHandle_t interruptQueue;

void vInterruptTask(void *pvParameters) {
  uint32_t event;
  for( ;; ) {
    if(xQueueReceive(interruptQueue, &event, portMAX_DELAY) == pdPASS) {
      Serial.println("中断事件已接收");
      // 在此处处理中断事件
    } else {
      Serial.println("接收中断事件失败");
    }
  }
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  interruptQueue = xQueueCreate(10, sizeof(uint32_t));
  if(interruptQueue == NULL) {
    Serial.println("队列创建失败");
    while(1);
  }
  xTaskCreate(vInterruptTask, "InterruptTask", 128, NULL, 1, NULL);
  // 配置中断
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(4), ISRHandler, RISING);
}

void loop() {
  // 无操作
}

void ISRHandler() {
  uint32_t event = 1;
  // 从ISR发送事件到队列
  if(xQueueSendFromISR(interruptQueue, &event, NULL) == pdPASS) {
    Serial.println("事件从ISR发送");
  } else {
    Serial.println("从ISR发送事件失败");
  }
}

要点解读:

队列创建: xQueueCreate(10, sizeof(uint32_t)) 创建一个能容纳10个uint32_t类型事件的队列。

中断服务例程(ISR): ISRHandler在中断触发时被调用，将事件发送到队列。

从ISR发送数据: 使用xQueueSendFromISR从ISR发送数据，需注意不可阻塞。

事件处理任务: 中断任务从队列接收并处理中断事件。

串口输出限制: 从ISR输出串口数据可能引起不可预见的行为，实际应用中应避免。

注意，以上案例只是为了拓展思路，仅供参考。它们可能有错误、不适用或者无法编译。您的硬件平台、使用场景和Arduino版本可能影响使用方法的选择。实际编程时，您要根据自己的硬件配置、使用场景和具体需求进行调整，并多次实际测试。您还要正确连接硬件，了解所用传感器和设备的规范和特性。涉及硬件操作的代码，您要在使用前确认引脚和电平等参数的正确性和安全性。

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悦读

道可道，非常道；名可名，非常名。 无名，天地之始，有名，万物之母。 故常无欲，以观其妙，常有欲，以观其徼。 此两者，同出而异名，同谓之玄，玄之又玄，众妙之门。

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