采用MSP430F149主處理器實現(xiàn)多用途智能節(jié)點的設(shè)計

1、前言

LONWorks現(xiàn)場總線是美國Echelon公司推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)，它具有統(tǒng)一性、開放性、互操作性及支持多種通信介質(zhì)等優(yōu)良性能，是當今最流行的現(xiàn)場總線之一。但是由于LonWorks控制節(jié)點的核心神經(jīng)元芯片（Neuron Chip）的應(yīng)用處理能力相對較弱，因而對于復雜的應(yīng)用常使用主從處理器結(jié)構(gòu)，主處理器完成用戶的應(yīng)用功能，而把Neuron芯片作為通信協(xié)處理器。由于可以提高了節(jié)點的處理能力，節(jié)省資金和開發(fā)時間，因此，具有多功能的通用嵌入式主處理器具有很好的應(yīng)用前景。本文采用的MSP430F149主處理器是TI公司基具有較高的集成度的芯片，簡化了應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計，適合作為多用途智能節(jié)點。

2、ShortSTack的介紹和實現(xiàn)

2.1 ShortStack的結(jié)構(gòu)

ShortStack微服務(wù)器是Echelon公司提供的一套開發(fā)包，其結(jié)構(gòu)圖如下：

由圖可看到，主處理器與ShortStack 微服務(wù)器通信通過ShortStack API函數(shù)來實現(xiàn)，通常使用其中的5個，lonInit（），lonEventHandler（），lonPropagateNv（），lonPollNv（）和lonsendServicePin（）。ShortStack Micro Server，運行ShortStack固件，運行LonTalk協(xié)議的1～6層；主處理器運行SCI串口驅(qū)動程序，運行ShortStack API函數(shù)，處理與Lonworks其他節(jié)點通信；主處理器應(yīng)用部分調(diào)用ShortStack API函數(shù)。主處理器設(shè)備的接口支持文件，由Neuron C model file 通過使用ShortStack向?qū)懋a(chǎn)生，產(chǎn)生數(shù)據(jù)表定義網(wǎng)絡(luò)變量和收發(fā)器參數(shù)。而Model file只需要聲明網(wǎng)絡(luò)變量NVs，配置屬性CPs和功能模塊FBs，因此，可以不需要熟悉Neuron C。

串行驅(qū)動程序為主處理器和從處理器之間提供一個獨立的接口。整個串行驅(qū)動程序由兩部分構(gòu)成：上層驅(qū)動程序為主應(yīng)用程序提供一個接口；底層驅(qū)動程序完成與神經(jīng)元芯片的硬件接口。上層和底層驅(qū)動之間的數(shù)據(jù)交換通過緩沖隊列完成。底層驅(qū)動程序與從處理器的通訊包括SCI上傳和SCI下傳兩類，SCI上傳是數(shù)據(jù)由神經(jīng)元芯片上傳到主處理器；SCI下傳是數(shù)據(jù)由主處理器下傳到神經(jīng)元芯片。

2.2 ShortStack的軟件實現(xiàn)

采用提供的Neuron C模板事例修改編寫。主要修改ldvsci.h和ldvsci.c中與MSP430F149處理器相關(guān)的語句。

在ldvsci.h中，修改為：

#define ENABLE_RX_TX（） （ME1 | = UTXE0+URXE0）

#define ENABLE_TX_ISR（） （IE1 |= 0x80）

#define ENABLE_TX_COMPLETE_ISR（） （IFG1|=0x80） //USART0發(fā)送標志

#define ENABLE_RX_ISR（） （IE1|= 0x40） //enable SCI receive interrupt

#define DISABLE_TX_ISR（） （IE1 &= ~0x80）

#define DISABLE_TX_COMPLETE_ISR（） （IFG1 &= ~0x80） // USART0發(fā)送標志復位

#define DISABLE_RX_ISR（） （IE1 &= ~0x40）

#define CHECK_RTS（） （P2OUT& 0x02） // check RTS

#define CHECK_CTS（） （P2IN& 0x01） // check CTS

#define ASSERT_RTS（） （P2OUT &= ~0x02） // assert RTS

#define DEASSERT_RTS（） （P2OUT|= 0x01） // deassert RTS

#define DEASSERT_HRDY（） （P2OUT |= 0x04） // deassert _HRDY

#define ASSERT_HRDY（） （P2OUT &= ~0x04） // assert _HRDY

在ldvsci.h中，修改了void SysResetSCI（void） ，void SysInit（void），

void SysUpdateWDT（void）， @interrupt void RxInt （void）以及@interrupt void TxInt （void）中與MSP430F149相關(guān)的程序。

其他文件做少許改變，其中platform.h定義了BIG_ENDIAN and LITTLE_ENDIAN的區(qū)別，對應(yīng)于哈佛結(jié)構(gòu)和馮．諾伊曼體系結(jié)構(gòu)。由于MSP430F149核是馮．諾伊曼體系結(jié)構(gòu)的，所以ShortStack需用LITTLE_ENDIAN（即高字節(jié)存在高位地址）。

2.3 ShortStack的硬件件實現(xiàn)

從處理器（如圖2）采用TP/FT-10F控制模塊，該模塊由微型電路板構(gòu)成， 包括一個3150 芯片、一塊閃存、一個通信收發(fā)器、電源連接器、I/O 口和網(wǎng)絡(luò)接口， 其中IO_0～IO_10 為神經(jīng)元芯片3150 的11 個I/O 管腳用于對控制設(shè)備的連接， DataA 和DataB 是FTT- 10收發(fā)器與網(wǎng)絡(luò)的連接口，它能夠?qū)⒅魈幚砥鹘?jīng)過處理輸出的數(shù)據(jù)發(fā)送到LON 總線，也可以將LON 總線上的消息傳送給主處理器。

主處理器與神經(jīng)元芯片之間的通信采用SCI模式。SCI接口是一個半雙工串行異步通信接口，通信的格式是：一個起始位，8個數(shù)據(jù)位和一個停止位（LSB在先）。通信模式的選擇由IO3確定，IO3接地選擇SCI通信模式。IO5、IO6則用來選擇通訊速率。

3、μcos_Ⅱ的移植

μcos_Ⅱ的全部源代碼，共16個文件。移植工作涉及的源文件分為三部分：與處理器無關(guān)的代碼部分，這部分代碼完成操作系統(tǒng)的基本功能，包括10個文件，即：OS_CORE.C，OS_MBOX.C，OS_MEM.C，OS_Q.C，OS_SEM .C，OS_TASK.C，OS_TIME.C．OS_FLAG.C，OS MUTEX.C，uCOS_II.H。設(shè)置代碼部分，包括OS—CFG.H 和INCLUDES.H 兩個頭文件，用來進行操作系統(tǒng)配置。

最主要的部分是與處理器有關(guān)部分的代碼，包括一個頭文件OS_CPU.H、一個C代碼文件OS_CPU_C.C 及一個匯編文件OS_CPU_A.ASM，將其移植到MSP430F149處理器上，需要修改這3個與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的文件，代碼量大約是500行。下面分別介紹這3個文件的移植。

OS_CPU.H這部分代碼包括數(shù)據(jù)類型定義、堆棧單位定義、堆棧增長方向定義、關(guān)中斷和開中斷的宏定義以及進行任務(wù)切換的宏定義等。其中，為了在不同的工作模式下調(diào)用系統(tǒng)的底層接口函數(shù)不受訪問權(quán)限的限制，使用軟中斷SWI。堆棧的單位與CPU的寄存器長度一致，結(jié)構(gòu)常量OS_STK_GROWTH置1，表示堆棧從由高地址向低地址增長。

OS_CPU_C.C要求編寫六個簡單的c函數(shù)：OSTaskSiklnit（）；OSTaskCreateHook（）；OSTaskDelHook（）；OSTaskSwHook（）；OSTaskStatHook（）；OSTimeTickHook（）唯一必要的函數(shù)是OSTaskStklnit（），其它五個函數(shù)必須聲明但沒必要包含。對于OSTaskStklnit（）而言，OSTaskCreate（）和OSTaskCreateExt（）通過調(diào)用OSTaskStkInit（）來初始化任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)，OSTaskStkInit（）返回堆棧指針所指的地址，OSTaskCreate（）會獲得該地址并將它保存到任務(wù)控制塊（OS TCB）中。

CPU_ A.ASM要求編寫四個簡單的匯編語言函數(shù)：OSStartHighRdy（）；OSCtxSw（）；

OSIntCtxSw（）；OSTickISR（）。將所有與處理器相關(guān)的代碼放到OS_CPU_C.C文件中，而不必放在一些分散的匯編語言文件中。

（1）OSStartHighRdy（）：運行高優(yōu)先級就緒任務(wù)函數(shù)OSStartHighRdy（）必須調(diào)用OSTaskSwHook（），因為OSTaskSwHook（）可以通過檢查OSRunning而確定是OSStartHighRdy（）在調(diào)用它（OSRunning為FALSE）還是正常的任務(wù)切換在調(diào)用它（OSRunning為TRUE）。OSStartHighRdy（）還必須在最高優(yōu)先級任務(wù)恢復之前和調(diào)用OSTaskSwHook（）之后設(shè)置OSRunning為TRUE。

（2）OSCtxSw（）、OSIntCtxSw（）：上下文切換函數(shù)任務(wù)級的切換是通過發(fā)軟中斷命令來完成的，其中斷向量地址必須指向OSCtxSw（）。中斷級的切換由OSIntExit（）通過調(diào)用OSintCtxSw（）來執(zhí)行切換功能。

（3）OSTickISR（）：定時中斷函數(shù)OSTickISR（）函數(shù)主要負責進人中斷時保存處理器寄存器內(nèi)容，完成任務(wù)切換退出時恢復處理器寄存器內(nèi)容并返回，相當于中斷服務(wù)程序的入口。

4、μc/os_Ⅱ與ShortStack的結(jié)合

因為μc/os_Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)代碼和ShortStack應(yīng)用程序代碼的固有的特征，兩者可以有機的結(jié)合在一起。μcos_Ⅱ由系統(tǒng)服務(wù)，如郵箱、內(nèi)存管理、消息隊列、信號量管理等，對于這些服務(wù)是在OS_CFG.h定義了的，當設(shè)計的系統(tǒng)要使用這些服務(wù)時只需要將定義的值改為1即可。將ShortStack應(yīng)用程序中的常量定義全部放在OS_CFG.h中。這樣可以同時對操作系統(tǒng)各種服務(wù)函數(shù)和ShortStack 的API和APP函數(shù)實現(xiàn)了裁減。

將ShortStack應(yīng)用程序當作μcos_Ⅱ操作系統(tǒng)的一個任務(wù)運行。先定義堆棧，以便保存本任務(wù)在任務(wù)切換時單片機的寄存器的當前值，當μcos_Ⅱ下次調(diào)度到該任務(wù)運行時就可以從堆?；謴虲PU的值，從而該任務(wù)繼續(xù)運行。程序如下：

OS_STK TaskStartStk［TASK_STK_SIZE］; //任務(wù)Task1的任務(wù)堆棧

OS_STK ShortStackStk［TASK_STK_SIZE］; //ShortStack的任務(wù)堆棧

…　　//其他任務(wù)堆棧

Void main（void）

{

OSInit（）;

OSTaskCreat（Task1，（void *）0，& TaskStartStk［TASK_STK_SIZE-1］，0）;

OSTaskCreat（ShortStack，（void *）0，& ShortStackStk［0］，2）;

…　　//創(chuàng)建其他任務(wù)

OSStart（）;

return 0;

}

void ShortStack（void）

{

lonInit（）;

for（; ; ）

{

lonEventHandler（）;//周期性調(diào)用檢查是否有任何LonWorks事件要處理

}

}

由于μc/os_Ⅱ操作系統(tǒng)沒有任何的硬件驅(qū)動，所以用戶自己將ShortStack串口驅(qū)動、輸入輸出隊列操作部分擴展為該操作系統(tǒng)的一部分。此外，系統(tǒng)可以添加其他特定的任務(wù)，通過系統(tǒng)調(diào)度，實現(xiàn)節(jié)點的合理利用，增加節(jié)點的實用性。如圖4所示。

最后，將帶有TP/FT-10F控制模塊的MSP430F149芯片接入Gizmo4開發(fā)板，通過Nodebuilder開發(fā)工具編譯，進入調(diào)試界面，利用LonMaker連接為兩節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，測試兩節(jié)點是否通訊。

5、結(jié)束語

MSP430F149是16bit的RISC微處理器，該處理器特別適用于手持式設(shè)備以及高性價比、低功耗的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它集成了中斷控制、功率控制、存儲控制、UART、PWM、ADC等豐富的資源。由于工業(yè)、家庭網(wǎng)絡(luò)化的需求，以及LonWorks總線便捷的入網(wǎng)方式，可以使該多用途智能節(jié)點分散自制，每個節(jié)點一方面分散地解決其特定的任務(wù)，另一方面通過點對點、點對多點的通訊，解決節(jié)點之間的信息傳輸，實現(xiàn)分散基礎(chǔ)上的融合。上位機要完成對LON 網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控與管理功能，二者之間必須能進行動態(tài)數(shù)據(jù)交換。LON 總線技術(shù)還提供了DDE Server 軟件。DDE Server 能夠?qū)崿F(xiàn)LON網(wǎng)絡(luò)和任何具有DDE 功能的Windows 應(yīng)用程序間交換網(wǎng)絡(luò)變量和信息。系統(tǒng)提供給用戶一個十分友好的人機界面，用戶可通過上位機設(shè)置各節(jié)點實時運行情況以及歷史運行記錄、打印等。

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