基于μC／OS-II的智能窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，人們對(duì)家庭生活舒適性和安全性的需求越來越強(qiáng)烈。智能窗將被越來越多地應(yīng)用到現(xiàn)代智能化建筑中，它將提供給住戶一個(gè)安全、方便的環(huán)境。本文選用LM3S615微控制器芯片和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-II設(shè)計(jì)了嵌入式智能窗系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞 ARMμC／OS-II智能窗

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    智能窗所要完成的功能如下：自動(dòng)智能防盜并能短信通知戶主，監(jiān)控煤氣泄漏，自動(dòng)防風(fēng)，自動(dòng)防雨，智能遙控開關(guān)窗門。CPU的選擇是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵所在。本文選用Luminary Micro(流明諾瑞)公司生產(chǎn)的Stellaris(群星)系列微控制器LM3S615，并以該芯片為核心搭建系統(tǒng)硬件平臺(tái)。LM3S615是Luminary公司首款基于ARM Crotex—M3內(nèi)核的微控制器，具有高性能的32位運(yùn)算能力和低延遲的中斷響應(yīng)，在汽車電子和工控領(lǐng)域有出色的表現(xiàn)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2．1 μc／os—II的移植
    μC／OS—II是一種源碼開放、移植性好、可裁減、搶占式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核。其中大部分代碼是用ANSI C語言編寫的，只有極少部分與處理器密切相關(guān)的代碼需用匯編完成?；讦蘡／os—II嵌入式操作系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，它包括應(yīng)用軟件程序、與應(yīng)用軟件相關(guān)的代碼、與處理器無關(guān)的代碼以及與處理器相關(guān)的代碼。所謂移植就是編寫與處理器相關(guān)的代碼，分別是頭文件OS_CPU．H、匯編文件OS_CPU_A．ASM和C語言源文件OS_CPU_C．C。
    ①在OS_CPU．H中定義相關(guān)的宏，聲明LM3S615能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)類型和堆棧增長方向。
    ②在OS_CPU_C. C中定義6個(gè)函數(shù)：OSTaskStklnit()、OSTaskCreateHook()、OSTaskSwHook()、OSTaskDelHook()、OSTaskStatHook()、OSTimeTickHook()。
    ③在0S_CPU_A．ASM中修改以下5個(gè)匯編函數(shù)：OS ENTER_CRITICAL()、0S_EXIT_CRITICAL()、OS_StartHighRdy、OSCtxSw、OSIntCtxSw。
    ④在主頭文件INCLUDES．H中增加OS_CPU．H、OS_CPU_C．C和0S_CPU_A．ASM。
    ⑤在配置文件OS_CFG．H中定義最大事件數(shù)、最多內(nèi)存分塊數(shù)、最多消息隊(duì)列數(shù)、最多任務(wù)數(shù)、最低任務(wù)優(yōu)先級(jí)、是否允許信號(hào)量使能、是否允許郵箱使能、是否允許消息隊(duì)列使能、時(shí)鐘節(jié)拍數(shù)以及其他的一些配置。通過修改這些設(shè)置，可對(duì)μC／OS—II進(jìn)行裁減，使之適應(yīng)本系統(tǒng)的具體需要。
2．2 μC／OS—II下多任務(wù)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)
    根據(jù)系統(tǒng)的功能模塊，可將整個(gè)系統(tǒng)劃分為幾個(gè)并行存在的任務(wù)來運(yùn)行，各個(gè)任務(wù)完成相對(duì)獨(dú)立的功能。μC／OS—II是占先式操作系統(tǒng)，對(duì)任務(wù)的調(diào)度是按優(yōu)先權(quán)的高低進(jìn)行的，優(yōu)先權(quán)的設(shè)置按照整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)序來確定，對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行較重要和對(duì)實(shí)時(shí)性要求較嚴(yán)格的任務(wù)設(shè)成較高的優(yōu)先級(jí)。各任務(wù)優(yōu)先級(jí)由高到低依次為：煤氣處理任務(wù)、盜情處理任務(wù)、下雨處理任務(wù)、大風(fēng)處理任務(wù)、紅外遙控任務(wù)、電機(jī)開窗任務(wù)、電機(jī)關(guān)窗任務(wù)、短信任務(wù)。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)固定不變。CPU對(duì)大多數(shù)事件的處理都放在任務(wù)中完成，而各個(gè)任務(wù)由對(duì)應(yīng)的信號(hào)量激活。信號(hào)量可以由任務(wù)或外部中斷來發(fā)送。

    (1)任務(wù)建立和資源分配
    μC／OS—II是一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，所以把系統(tǒng)軟件分割成多個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)負(fù)責(zé)完成相應(yīng)的處理工作，系統(tǒng)功能由多個(gè)任務(wù)協(xié)作完成。本系統(tǒng)的任務(wù)分配如表1所列。

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    (2)主要任務(wù)描述首先建立一個(gè)main()函數(shù)，在主函數(shù)中調(diào)用OS-Init()函數(shù)初始化μC／OS-II，然后建立第一個(gè)任務(wù)(起始任務(wù))，最后調(diào)用OS-Start()函數(shù)啟動(dòng)多任務(wù)。在建立主函數(shù)之前必須定義各個(gè)任務(wù)的堆棧、系統(tǒng)的全局變量和相關(guān)宏。主函數(shù)的程序清單如下：

   
    起始任務(wù)是系統(tǒng)建立的第一個(gè)任務(wù)，主要有3個(gè)功能：完成對(duì)目標(biāo)板的初始化(主要是定時(shí)器、外部中斷和串行口的初始化)，建立系統(tǒng)所要用到的信號(hào)量，建立系統(tǒng)的其他任務(wù)。起始任務(wù)部分程序清單如下：

    在電機(jī)開窗任務(wù)中首先等待信號(hào)量sem_open。該信號(hào)量是由煤氣處理任務(wù)、紅外遙控處理任務(wù)發(fā)送的。如果電機(jī)開窗任務(wù)得到該信號(hào)量，程序就設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，并控制PWM送出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖，直到窗戶被打開。
    電機(jī)關(guān)窗任務(wù)必須等到信號(hào)量sem_close有效時(shí)才會(huì)被激活。信號(hào)量sam_close由盜情處理任務(wù)、下雨處理任務(wù)、大風(fēng)處理任務(wù)、紅外遙控處理任務(wù)發(fā)送。
    短信任務(wù)則要得到盜情處理任務(wù)發(fā)出的信號(hào)量sam_dq時(shí)被激活。系統(tǒng)采用門磁傳感器作為人室盜竊報(bào)警信號(hào)發(fā)生器。當(dāng)窗戶被打開時(shí)，門磁的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化，信號(hào)被發(fā)送到微處理器。微處理器檢測(cè)到信號(hào)輸入、控制GPRS模塊發(fā)送中文報(bào)警信息給戶主手機(jī)，戶主可根據(jù)短信及時(shí)報(bào)警，避免造成更大的損失。

3 小 結(jié)
    完成了基于32位ARM微處理器LM3S615和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μc／os—II的嵌入式智能窗的設(shè)計(jì)開發(fā)，并為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)提供了一種解決方案。μc／os—II作為一個(gè)優(yōu)秀的RTOS已經(jīng)被成功移植到多種體系結(jié)構(gòu)的微處理器上。將其移植到ARM平臺(tái)上能夠更深刻地理解RTOS的構(gòu)造，加快應(yīng)用和開發(fā)。把μC／OS—II引入到智能窗控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，使軟件的開發(fā)更具層次性，開發(fā)效率更高，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、實(shí)時(shí)性更強(qiáng)，也更容易擴(kuò)展。