基于ARM芯片LPC2214和μC/OS-II實現(xiàn)數(shù)字微波監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

隨著嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的普及和深入，在更加復(fù)雜的應(yīng)用中傳統(tǒng)軟件開發(fā)手段難以滿足需求，嵌入式操作系統(tǒng)在開發(fā)中扮演著越來越重要的角色，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于手機、移動計算機設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和工控仿真等領(lǐng)域。嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II源碼是公開的，而且它是可移植、可固化、可裁減及可剝奪型的多任務(wù)實時內(nèi)核，可用于各類8位、16位和32位單片機和DSP，目前得到廣泛應(yīng)用。本文給出一種數(shù)字微波設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，該系統(tǒng)引入μC/OS-II之后，系統(tǒng)的開發(fā)效率得到提高，整個系統(tǒng)的健壯性得到增強，文中對軟件設(shè)計應(yīng)用中遇到的關(guān)鍵問題作了深入討論并給出了相應(yīng)的解決方案。

1 數(shù)字微波設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

微波通信是一種利用微波傳輸信息的通信手段，數(shù)字微波采用數(shù)字信號處理技術(shù)，利用微波信道傳輸數(shù)字信號，以下給出一種數(shù)字微波通信系統(tǒng)中監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。由兩個端站組成一條微波鏈路，每個端站含一個室內(nèi)單元IDU（In-Door Unit）、一個室外單元ODU（Out-Door Unit）、連接室內(nèi)單元和室外單元的同軸電纜、以及微波天線。本文主要討論IDU監(jiān)控部分CPU相關(guān)內(nèi)容的軟硬件設(shè)計。

1.1 微波監(jiān)控IDU部分硬件設(shè)計

IDU組成框圖如圖1所示，主要由業(yè)務(wù)接口、輔助業(yè)務(wù)、復(fù)分接、微波幀分復(fù)接、中頻調(diào)制解調(diào)、中頻分合路器、電源、CPU及相關(guān)接口組成。

主業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過業(yè)務(wù)接口電路復(fù)接后，與公務(wù)、輔助數(shù)據(jù)信號等一起進入微波幀復(fù)接模塊，復(fù)接成微波幀信號，由調(diào)制模塊完成調(diào)制，通過中頻分合路器送往ODU。從ODU送來的中頻信號經(jīng)過中頻分合路器送往解調(diào)模塊解調(diào)出數(shù)據(jù)，送到微波幀分接電路，分接出主業(yè)務(wù)、公務(wù)以及輔助數(shù)據(jù)信息，通過主業(yè)務(wù)接口電路分接出各支路主業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。CPU對所傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行監(jiān)視和控制，監(jiān)視所傳數(shù)據(jù)的狀態(tài)、性能等信息，可設(shè)置所傳數(shù)據(jù)的各種參數(shù)，通過輔助業(yè)務(wù)接口可提取和插入各種控制信息。

CPU采用PHILIPS公司的32位ARM芯片LPC2214，該芯片接口豐富，硬件設(shè)計時CPU相關(guān)接口完成功能如下：輸入接口提供按鍵設(shè)置掃描電路，輸出接口通過液晶、告警燈及蜂鳴器輸出信息，通過I2C接口CPU可實現(xiàn)對串行E2PROM、時鐘芯片的存取，CPU本身提供SPI接口，通過該接口實現(xiàn)本端與遠端控制信息的交換。串行接口提供一種監(jiān)控手段，可實現(xiàn)CPU與PC機的通信，完成狀態(tài)讀取和各種命令的設(shè)置，以太網(wǎng)接口通過擴展以太網(wǎng)接口芯片實現(xiàn)，通過以太網(wǎng)接口建立與網(wǎng)管中心的通信，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的管理。OOK（On/Off—Keying）調(diào)制解調(diào)電路完成IDU與ODU之間的通信，通過該電路，IDU可對ODU進行設(shè)置發(fā)功率、收發(fā)頻率、監(jiān)視ODU的工作狀態(tài)等。

1.2 軟件結(jié)構(gòu)

軟件總體分為應(yīng)用程序和μC/OS-II兩部分，應(yīng)用程序是用戶代碼部分，采用C語言編寫，完成對整個系統(tǒng)的監(jiān)控；μC/OS-II為一種嵌入式多任務(wù)實時操作系統(tǒng)，其大部分程序使用C語言編寫，還有一小部分和處理器密切相關(guān)的代碼使用匯編語言編寫，μC/OS-II包括了三部分，即μC/OS-II核心代碼、配置代碼和移植代碼。

其中，核心代碼：包括10個C程序文件和一個頭文件，主要實現(xiàn)了系統(tǒng)調(diào)度、任務(wù)管理、內(nèi)存管理、信號量、消息郵箱和消息隊列等系統(tǒng)功能，而這些功能的實現(xiàn)與處理器類型無關(guān)。

配置代碼：包括2個頭文件，用于裁剪和配置μC/OS-II，這部分代碼根據(jù)用戶的實際需求來配置μC/OS-II系統(tǒng)。

移植代碼：這部分主要包括1個匯編文件、1個C程序文件和一個頭文件，這部分根據(jù)具體的處理器移植μC/OS-II系統(tǒng)的需要修改，它和處理器關(guān)系密切。

2 μC/OS-II在微波監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用程序中任務(wù)的設(shè)計與劃分

根據(jù)實際的需要，應(yīng)用軟件劃分為7個任務(wù)：液晶顯示、按鍵接收和告警、時間標(biāo)志處理、遠端信息處理、數(shù)據(jù)處理、串口任務(wù)處理，如圖2所示。

圖2 應(yīng)用程序中任務(wù)的劃分

（1） Task_LCD_OP：主要是處理菜單的顯示，根據(jù)不同的菜單顯示設(shè)備的相關(guān)信息，并且完成將設(shè)置數(shù)據(jù)保存到公共變量中。

（2） Task_KEY：主要完成外部按鍵信號的掃描，按照不同的按鍵轉(zhuǎn)換為不同的編碼，并把其值保存到公共變量中。

（3） Task_TIME_FLG：實現(xiàn)設(shè)置時間標(biāo)志，以使其它任務(wù)完成定時任務(wù)，因為有許多的定時任務(wù)，所以設(shè)立了一個單獨的任務(wù)來設(shè)置或取消時間標(biāo)志。

（4） Task_SPI_OP：通過SPI接口完成遠端信息交換處理以及數(shù)據(jù)鏈路各接口環(huán)回等設(shè)置。

（5） Task_DATA_OP：主要完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理、AD轉(zhuǎn)換、公務(wù)的控制，控制微波接口、時鐘芯片的設(shè)置和讀取，完成誤碼率的計算以及對串行E2PEOM存儲芯片數(shù)據(jù)的存取。

（6） Task_COMM1：主要是完成出串口與其它設(shè)備間通信數(shù)據(jù)的收發(fā)。

（7） Task_ODUCOMM0：主要是IDU和ODU設(shè)備的通信。

2.2 任務(wù)的創(chuàng)建

經(jīng)過分析和設(shè)計之后，就可以使用μC/OS- II所提供的函數(shù)創(chuàng)建任務(wù)，這里給出了如何創(chuàng)建液晶顯示任務(wù)的實例，其它任務(wù)的創(chuàng)建與之類似，其過程如下：

OSTaskCreate （Task_LCD_OP，（void *）0， &LCDopreate［TaskStkLengh - 1］，8）;

Task_LCD_OP是要創(chuàng)建的任務(wù)；（void *）0是傳遞給任務(wù)的參數(shù)，因為這里所創(chuàng)建的任務(wù)沒有參數(shù)，所以其值為0；&LCDopreate［TaskStkLengh - 1］是分配給任務(wù)的堆棧，這在程序中是事先定義好的，最后一個數(shù)字8是分配給該任務(wù)的優(yōu)先級。

2.4 任務(wù)優(yōu)先級的劃分

為了使整個系統(tǒng)的實時性能夠得到滿足，所以要以任務(wù)的緊迫性、關(guān)鍵性、頻繁性和中斷的重要性等為依據(jù)，對不同的任務(wù)安排不同優(yōu)先級別。在系統(tǒng)優(yōu)先級的分配上，μC/OS-II系統(tǒng)級保留了0和1，用戶程序任務(wù)優(yōu)先級從2開始，最低優(yōu)先級定義為12。

在該監(jiān)控系統(tǒng)中，任務(wù)不同，對實時性要求也不同，通過定時任務(wù)來控制。定時任務(wù)劃分為20ms到5s多個時間級別，在同一個任務(wù)中可以再定時地處理一些事務(wù)。其中，單獨設(shè)置了一個任務(wù)Task_TIME_FLG來處理這些時間等級的劃分和管理，由于它的運行涉及到其它任務(wù)的時間標(biāo)志，是一個關(guān)鍵任務(wù)，所以必須將其運行優(yōu)先級設(shè)置為用戶程序的最高級別。系統(tǒng)中除了對設(shè)備進行設(shè)置外，其余時間主要通過串行接口進行信息交互，也是較為重要和緊迫的，這一工作由串口1來承擔(dān)，所以在設(shè)置Task_COMM1的優(yōu)先級次之；其次是Task_ODUCOMM0；Task_DATA_OP數(shù)據(jù)操作任務(wù)對實時性要求不高，級別隨之降低；Task_SPI_OP任務(wù)因其數(shù)據(jù)量小，故不是緊迫任務(wù)；Task_KEY按鍵任務(wù)、Task_LCD_OP液晶顯示是實現(xiàn)人機交互的，所以實時性要求也比較低。

從以上分析可以把任務(wù)的優(yōu)先級進行如下分配：Task_TIME_FLG為2，Task_COMM1為3，Task_ODUCOMM0為4，Task_DATA_OP為5，Task_SPI_OP為6，Task_KEY為7，Task_LCD_OP為8。

2.5 任務(wù)的調(diào)度

μC/OS-II調(diào)度的依據(jù)是任務(wù)就緒隊列表，系統(tǒng)從處于就緒隊列的任務(wù)中選擇一個優(yōu)先級最高的來運行，它可以管理多達64個任務(wù)。對于多任務(wù)的管理，μC/OS- II 是通過調(diào)度器完成。其中任務(wù)級的調(diào)度是由函數(shù)OSSched（）完成， 而中斷級的調(diào)度是由函數(shù)OSIntExiT（）完成。

本系統(tǒng)的任務(wù)中，Task_TIME_FLG時間標(biāo)志處理任務(wù)優(yōu)先級最高，運行也最頻繁，它和其它任務(wù)切換是屬于普通的任務(wù)切換，而Task_COMM1和Task_ODUCOMM0的任務(wù)切換是屬于中斷級的切換，只有在發(fā)生中斷時才切換，正常運行時和普通任務(wù)的切換方式一樣。其余任務(wù)的切換都作為普通切換方式處理。在任務(wù)切換過程中如果當(dāng)前任務(wù)需要延時判斷，為保證其它任務(wù)的正常運行，可通過調(diào)用函數(shù)OSTimeDly（2）掛起當(dāng)前任務(wù)，其中鍵顯部分有三級菜單，每一級菜單又有許多選項，為了提高按鍵掃描的實時性，在進入每一級菜單后必須調(diào)用該函數(shù)掛起當(dāng)前任務(wù)，并掃描有無按鍵，如有則執(zhí)行對應(yīng)處理程序，沒有按鍵則把自己掛起，直到有按鍵方可退出。μC/OS-II如此處理，程序不會死等，按鍵和菜單顯示配合很協(xié)調(diào)，只要有按鍵就能得到及時處理。

2.6 中斷的設(shè)置與使用

在ARM7體系的CPU中，最多可以有32個中斷源。對每個具體的中斷源，可以將其定義為快速FIQ中斷，使其具有最高的優(yōu)先級；也可以定義為向量IRQ中斷，使其具有中等優(yōu)先級，但向量IRQ的總數(shù)不能超過16個。μC/OS-II本身使用一個定時中斷源作為系統(tǒng)節(jié)拍中斷。

μC/OS-II響應(yīng)中斷的過程：當(dāng)系統(tǒng)接收到中斷請求后，并且CPU處于中斷開放狀態(tài)，系統(tǒng)就會終止當(dāng)前運行的任務(wù)，按照中斷向量的指向運行中斷服務(wù)子程序；當(dāng)中斷運行結(jié)束后，系統(tǒng)就會返回到被中止的任務(wù)繼續(xù)運行，或者轉(zhuǎn)向運行另一個更高優(yōu)先級的就緒任務(wù)。

本系統(tǒng)中使用了兩個定時中斷源、兩個串口中斷源、一個I2C中斷源。μC/OS-II中斷的設(shè)置和初始化由target.c中的TargetInit函數(shù)完成，通過該函數(shù)實現(xiàn)了串口、I2C和定時中斷的初始化設(shè)置。其中VICInit實現(xiàn)過程如下，將中斷服務(wù)子程序的地址寫到相應(yīng)的中斷向量寄存器（VICVectAddrx），并從相應(yīng)的中斷向量控制寄存器（VICVectCntlx）選中相應(yīng)的中斷，將其啟用。當(dāng)CPU接收到中斷請求就能找到對應(yīng)中斷服務(wù)程序的地址，并轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序去運行。

2.7 堆棧的設(shè)置與使用

堆棧是依據(jù)“后進先出（LIFO）”原則組織的連續(xù)存儲空間。為滿足任務(wù)切換、響應(yīng)中斷以及存儲任務(wù)私有數(shù)據(jù)的需要，每個任務(wù)都配有自己的堆棧。

由于LPC2214的片內(nèi)Flash是256KB，片內(nèi)RAM是16KB，根據(jù)需要CPU沒有擴展外部閃存，故要求代碼精練，RAM分配一定要合理。尤其是在液晶顯示任務(wù)中，由于顯示的菜單項目較多，因此任務(wù)之間切換增加了RAM的需求。如果每個任務(wù)堆棧開辟過小，任務(wù)切換時就會出現(xiàn)私有數(shù)據(jù)丟失，堆棧溢出直至程序運行出錯；反之堆棧設(shè)置過大，就會使內(nèi)存RAM空間緊張，因此設(shè)置堆?？臻g必須適中。本系統(tǒng)中開始設(shè)置顯示任務(wù)堆棧大小為64個字，調(diào)試運行中發(fā)現(xiàn)進入多級菜單時會出現(xiàn)程序死鎖的現(xiàn)象，擴大對應(yīng)任務(wù)堆?？臻g問題就得到解決。

3 軟件的調(diào)試環(huán)境與下載

該系統(tǒng)需要建立ADS1.2集成仿真環(huán)境，使用了廣州周立功單片機發(fā)展有限公司提供的專用工程模板。如果硬件沒有擴展外部存儲器，就使用LPC2100的工程模板；否則使用LPC2200的工程模板。在調(diào)試過程中選用DebugInFLASH模式燒寫調(diào)試；軟硬件調(diào)試完成，可選用RelInFlash模式燒寫，后一種燒寫方式會加密芯片，使之無法二次燒寫；如果加密之后需要重新燒寫芯片，就必須使用ISP進行解密之后方可燒寫，調(diào)試程序時一定要注意這點。

4 結(jié)束語

μC/OS-II應(yīng)用于數(shù)字微波監(jiān)控系統(tǒng)軟件開發(fā)之后，系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)更加簡潔實用，系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性得到提高，設(shè)備在實際應(yīng)用中表現(xiàn)穩(wěn)定可靠，并取得一定的經(jīng)濟效益，μC/OS-II在嵌入式系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用推廣價值。

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