基于LPC2210嵌入式微處理器實現智能安防系統(tǒng)的設計

1 引言

隨著社會經濟的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高．同時引發(fā)入室搶劫、盜竊等暴力事件頻頻發(fā)生．不法分子的作案手段也是越來越向高科技化、高智能化發(fā)展。同時，智能家居內部的安防系統(tǒng)通常價格不低．因此必須有一種價格適中且工作穩(wěn)定的智能安防系統(tǒng)來最大限度的減小損失。本文主要針對前述現象設計基于ARM技術的智能安防系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要采用ARM系列芯片中的LPC2210嵌入式微處理器．選用可同時處理多任務的ucos-Ⅱ操作系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)的總體設計方案

系統(tǒng)的總體設計體系圖如圖1所示．本系統(tǒng)主要由物業(yè)管理中心機、公用電話網、以太網、RS485網、室內嵌入式安防控制器、報警檢測和可視對講設備組成。其中485網構成室內網絡，以太網和公用電話網構成外部通信網。整個系統(tǒng)分防盜、防災報警和可視對講三大部分。其中防盜部分主要防盜報警、緊急呼救系統(tǒng)等；防災部分主要包括防火災發(fā)生、防煤氣（可燃氣體）泄露。系統(tǒng)一旦有任何異常情況發(fā)生，則通過485網將預先設計好的指令發(fā)送到嵌入式安防控制器上，控制器對接收到的指令進行解析同時自身發(fā)出警戒信號然后可以通過公用電話網遠程報警給用戶，也可以通過以太網遠程報警給物管中心報警．同時物業(yè)管理中心的主機將會記錄下這些信息；可視對講部分包括門口機、電控門、監(jiān)視、監(jiān)聽設備等，主要完成對來訪客人的身份確認和電控門的控制，以及與小區(qū)對講主機、小區(qū)大門對講主機進行對講等功能。

圖1 系統(tǒng)總體設計體系圖

3 系統(tǒng)的硬件設計

LPC2210是基于支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16／32位ARM7TDMI-STM CPU．并帶有16kB嵌入式RAM，1個128位寬度的外部存儲器接口和1個獨特的加速器架構，使得32位代碼可在最大時鐘頻率下運行。同時，對代碼規(guī)模有嚴格控制的應用．可選用16位Thumb TM模式和32位的ARM模式，ThumbTM下可減少代碼30％，而性能的損失卻很小。系統(tǒng)的結構圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結構框圖

3．1 系統(tǒng)時鐘與復位電路

系統(tǒng)時鐘使用11Mhz基準品振，連接LPC2100的X1和X2管腳。由于ARM芯片的高速、低功耗、低電壓導致其噪聲容限低。對電源的紋波、瞬態(tài)響應性能等方面要求更高，本系統(tǒng)采用帶I2C存儲器的電源監(jiān)控芯片GAT1025JI-30以提高系統(tǒng)的可靠性。

3．2 JTAG接口電路與存儲器接口電路

采用ARM公司提供的標準20腳JTAG防真調試接口。本系統(tǒng)擴展了2MB的NOR FLASH（SST39VF160）、8MBPSRAM（MT45W4MW 16）、16MB的NAND FLASH（K9F2808UOC）與一片帶I2C的E2PROM存儲器（CAT1025）。

3．3 LED與A／D接口

分別采用P2.28-P2.33作為前端探測器的信號指示，其中亮表示有警情，否則，燈滅。LPC2210具有4路lO位的A／D轉換器．其參考電壓為3．3V。

3．4 以太網接口電路

本系統(tǒng)設計以RTL8019AS芯片為核心的以太網接口電路．以16位總線的方式對RTL8019AS進行訪問．

3．5 電話接口電路

選用接收發(fā)送集成芯片MT8880．MT8880是MITEL公司推出的DTMF發(fā)送接收器，分為振鈴檢測與模擬摘機電路、雙音多頻接收與發(fā)送電路．

3．6 485接口電路

通過LPC2210的UART口實現，具體電路如圖3。在系統(tǒng)中選用SP3485來擴展RS485電路．SP3485是+3.3v低功耗半雙工收發(fā)器件，完全滿足RS 485標準的要求。這一芯片與SP485管腳完全兼容，并同時滿足工業(yè)標準。SP3485的RE與DE腳與LPC2214的P0．10連接。當P0．10管腳為高電平時允許DI腳上的數據發(fā)送，DI腳與LPC2214的UARTI輸出腳P0．8TXD連接。當P0．10管腳為低電平時．允許RD腳讀取485線上的數據。RD腳與LPC2214的UARTI輸入腳P0．9RXD連接。圖中兩個電阻R3、R4為偏置電阻．用于保證無連接的SP485芯片處于空閑狀態(tài)，提供網絡失效保護，以提高RS485節(jié)點與網絡的可靠性。DWl、DW2是用來保護RS485總線的，避免RS485總線在受外界干擾時（雷擊、浪涌）產生的高壓，損壞RS485收發(fā)器。

圖3 485接口電路

4 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)的軟件設計主要包括ARM的應用程序設計和ucos-Ⅱ操作系統(tǒng)的移值。ARM的應用程序按照系統(tǒng)所要實現的功能。整個系統(tǒng)被劃分為幾個并行存在的任務，主要包括報警檢測、電話報警、LED顯示、485應用程序等，應用程序采用ANSI C語言編寫。由于占先式操作系統(tǒng)塒任務的調度是按優(yōu)先權的高低進行的，將系統(tǒng)的所有任務按其優(yōu)先級從高到低順序排列依次是：報警檢測、LED顯示、通信、數據分析等，由于多個任務可能會出現對共享資源的同時操作。從而造成數據的破壞或丟失，為了防止數據的破壞或丟失，出現使用信息出現互斥操作現

圖4 系統(tǒng)主流程圖

ucos-Ⅱ操作系統(tǒng)主要是協(xié)調LPC2210對程序的任務管理和調度．ucos-Ⅱ是源碼公開的著名實時內核。是一個完整的、可移植的、可固化、可裁剪的占先式實時多任務內核，主要使用ANSI C語言編寫程序，使用ADS編譯和調試程序。操作系統(tǒng)的移植既是使實時內核在其他的微處理器或微控制器卜運行。因為ucos-Ⅱ大部分代碼是用C語言編寫的，所以其移植性較好，但是部分代碼是用匯編編寫的。ucos-Ⅱ的結構及與硬件的關系圖見圖5。

ucos-Ⅱ的移植需要滿足下面五個條件：

* 處理器的C編譯器能產生可重入型代碼。

* 用c語言就可以打開和關閉中斷。

* 處理器支持中斷。并且能產生定時中斷（通常在10至100Hz之M）。

* 處理器支持能夠容納一定量數據（可能是幾千字節(jié)）的硬件堆棧。

* 處理器有將堆棧指針和其它CPU寄存器讀出和存儲到堆?；騼却嬷械闹噶睢?/p>

ucos-Ⅱ的移植工作。主要與三個文件相關：處理器相關c文件（OS_CPU.H，os_CPU C.C）和匯編文件（OS_CPU_A．s）文件，其中在OS_CPU．H中需要針對處理器的字長重新定義一系列數據類型、設置常量來標志堆棧增長方向及聲明用于開關中斷和任務切換的宏。在OS_CPU C．C中需要對任務堆棧初始化，主要涉及到任務初始化時的一個堆棧設計，也就是在堆棧增長方向上如何定義每個需要保存的寄存器位置。OS_CPU_A．S主要涉及4個匯編語言．其中函數OSStartHighRdy（）在OSStart（）多任務啟動之后．負責從最高優(yōu)先級任務的TCB控制塊中獲得該任務的堆棧指針sp，通過sp依次將CPU現場恢復，這時系統(tǒng)就將控制權交給用戶創(chuàng)建的該任務進程，直到該任務被阻塞或者被其他更高優(yōu)先級的任務搶占；OSCtxsw（）實現任務級的任務切換，它是當任務因為被阻塞而主動請求CPU調度時被執(zhí)行．由于此時的任務切換都是在非異常模式下進行的，因此區(qū)別于中斷級別的任務切換，它的工作是先將當前任務的cpu現場保存到該任務堆棧中然后獲得最高優(yōu)先級任務的堆棧指針，從該堆棧中恢復此任務的CPU現場．使之繼續(xù)執(zhí)行。這樣就完成了一次任務切換；OSIntCtxSw（）實現中斷級的任務切換．它是在時鐘中斷ISR（中斷服務例程）中發(fā)現有高優(yōu)先級任務等待的時鐘信號到來，則需要在中斷退出后并不返回被中斷任務．而是直接調度就緒的高優(yōu)先級任務執(zhí)行。這樣做的目的主要是能夠盡快地讓高優(yōu)先級的任務得到響應，保證系統(tǒng)的實時性能；OSTicklSR（）是時鐘中斷處理函數，它的主要任務是負責處理時鐘中斷，調用系統(tǒng)實現的OSTimeTick函數，如果有等待時鐘信號的高優(yōu)先級任務，則需要在中斷級別上調度其執(zhí)行。完成上述工作以后，UCOS一Ⅱ就可以正常運行在ARM處理器了。

圖5 ucos-Ⅱ的結構及與硬件的關系圖

5 結語

安防系統(tǒng)就是運用科技手段與犯罪作斗爭。是人防和物防系統(tǒng)的延續(xù)和發(fā)展，可以提高迅速處置非法闖入、破壞、盜竊等突發(fā)事件的能力，起到預防和延遲警情的發(fā)生．安防系統(tǒng)采用的技術設備、措施等都蘊含著較高的科技水平．本文提出采用嵌入式ARM技術和ucos一Ⅱ操作系統(tǒng)作為新一代安防控制系統(tǒng)的新架構．它具有功能強大、價格合適、運行穩(wěn)定可靠、抗干擾性強、實時性較強、網絡功能強大的特點，預計是新型安防控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。隨著嵌入式硬件平臺的不斷發(fā)展。其程序可以很方便地向其他性能更好、價格更合適的硬件平臺移植，并且可以配置更加強大的功能組件。

本文作者創(chuàng)新點：采用ARM系列芯片中的LPC2210嵌入式微處理器，選用可同時處理多任務的uCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)．完成家居安防的控制，本系統(tǒng)將有效消除家居的安全隱患。并在警情不可避免發(fā)生時，能實現快速響應，及時通知報警的功能。最大限度降低危害的發(fā)生率，大大提高家居生活的質量與智能化水平。

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