基于 ARM 嵌入式的遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計
基于 ARM 內(nèi)核的嵌入式系統(tǒng)在遠程監(jiān)控報警系統(tǒng)中的設計實現(xiàn)與應用。核心部分主要包 括 ARM 嵌入式平臺設計及 µC-OS 嵌入式實時操作系統(tǒng)移植；人機交互界面 µCGUI 的設計與實現(xiàn)；遠程通 訊及自動報警等；系統(tǒng)的設計還考慮到了擴展性和通用性以及與其他監(jiān)控設備無縫連接等問題。
關鍵詞： ARM；µC/OS-II； µCGUI ；遠程監(jiān)控
1 引言
監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)已成為現(xiàn)代化生產(chǎn)、生活中不可缺少的重要組成部分。目前，監(jiān)控系列產(chǎn)品 種類繁多，大部分廣泛應用于交通、醫(yī)院、銀行、家居、學校等安防領域。
隨著嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)，尤其是基于 ARM 內(nèi)核芯片的嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得監(jiān)控系統(tǒng)的應用領域更為廣泛。本文設計的遠程監(jiān)控報警系統(tǒng)除了作為安防功能外，還可以應用于 以下領域：通訊領域：遠程通訊、視頻會議和視頻點播、證券、遠程教育等。醫(yī)療領域：病 房監(jiān)護、遠程診斷等。工業(yè)領域：遠程設備診斷、維護、維修，遠程生產(chǎn)監(jiān)控等。家用領域：
家用電器遠程維護；電、氣、火等重大事故自動報警等。
2 系統(tǒng)設計
2.1、系統(tǒng)組成 本文設計的遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要由中心控制器、數(shù)據(jù)終端、傳感器模塊、通訊模塊、接口模塊等幾部分組成。系統(tǒng)組成圖（如圖 1） 。
2.2、中心控制器 系統(tǒng)核心，負責數(shù)據(jù)采集判斷處理。為了提高系統(tǒng)工作效率，這里使用的是三星公司的 S3C2410 芯片作為處理器。S3C2410 芯片是一款高性價比的 ARM 芯片，非常適合作手機、
PDA 等手持設備。主要特性包括： ARM920T 內(nèi)核，最高工作頻率 203MHz， LCD 控制器： 可直接驅(qū)動真彩液晶屏，最高支持 2048×1024 真彩液晶屏， 2 個 USB Host 端口 ，1 個 USB Device 端口，支持 Nand flash 啟動模式，SD 卡接口， UART、IIC、SPI、IIS 等多種類 型串行接口， 4 通道 DMA。
本文的監(jiān)控系統(tǒng)的 CPU 核心部分使用的是標準的 SO-DIMM200 金手指接口，便于后期 維護和升級。如果該監(jiān)控系統(tǒng)的使用環(huán)境較為苛刻，可以將 CPU 替換為 S3C2440 芯片。 S3C2440 完全兼容 S3C2410 全部特性（注意：芯片引腳不完全兼容）。與 S3C2410 芯片相比， S3C2440 的性能更為優(yōu)越：最高工作頻率可達 500MHz，內(nèi)部集成 CMOS 攝像頭接口，但價 格較昂貴。
2.3、數(shù)據(jù)終端 數(shù)據(jù)終端的主要功能是對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行分析、處理，及時將數(shù)據(jù)匯報給監(jiān)控人員。同時， 監(jiān)控人員可以根據(jù)現(xiàn)場情況，使用數(shù)據(jù)終端對監(jiān)控的設備進行遠程控制。數(shù)據(jù)終端最大優(yōu)勢 就是安全、可靠、便于攜帶。 一般情況下為了節(jié)約成本，可以將手機、PDA 等移動通訊設 備作為數(shù)據(jù)終端使用。但是如果作為對高危環(huán)境或精密儀器的監(jiān)控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)終端需要專業(yè) 定制。這里使用的是中心控制器的作為數(shù)據(jù)終端，即中心控制器既作為數(shù)據(jù)采集發(fā)送中心， 也可數(shù)據(jù)接收處理中心使用。
2.4、通訊模塊
通訊模塊主要負責遠程數(shù)據(jù)通訊。帶有 RS232/485、GPRS、CDMA 等一種或多種通訊 方式。需要根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和用戶需要進行定制。通訊模塊與控制器通過接口總線連接，連接 方式為 TTL/RS232/RS485 等
2.5、傳感器模塊 傳感器模塊的主要功能是感知外部環(huán)境，對外部環(huán)境進行實時監(jiān)測。由人體紅外傳感器、 振動傳感器、超聲波傳感器、可燃氣體傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等一種或多種傳感 器組成?？筛鶕?jù)現(xiàn)場監(jiān)測環(huán)境不同進行定制。
2.6、接口模塊
接口模塊主要作為系統(tǒng)擴展功能使用，將控制器的 A/D 轉(zhuǎn)換、I2C、SPI 等多種接口進行 外部擴展。接口模塊沒有特定的功能，但可以根據(jù)需要與其他設備連接，例如可以與工業(yè)儀 器儀表或設備連接，實時對儀器或設備進行監(jiān)控。
接口模塊雖然不是監(jiān)控系統(tǒng)的主要部分，但是對于整個系統(tǒng)來說卻是不可缺少。因為本文的監(jiān)控系統(tǒng)主要考慮到了系統(tǒng)的可擴展性和與其它系統(tǒng)無縫連接。通過接口模塊可以很方 便的對監(jiān)控系統(tǒng)進行升級，并且可以實現(xiàn)與其他系統(tǒng)或設備的無縫連接。這也是本系統(tǒng)區(qū)優(yōu) 于其他監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能。
3 軟件設計
3.1、工作軟件
系統(tǒng)的軟件設計較為復雜，這里只給出了整個工作軟件流程（如圖 2）。
3.2、操作系統(tǒng)移植 [!--empirenews.page--]
S3C2410 芯片支持多種嵌入式操作系統(tǒng)，如 WINCE、uCLinux 等。但考慮到監(jiān)控系統(tǒng) 的實時性要求，這里使用的是 µC/OS-II 嵌入式實時操作系統(tǒng)。µC/OS-II 是一個源碼公開、可 移植、可固化、可裁剪、占先式的實時多任務操作系統(tǒng)。其絕大部分源碼是用 ANSI C 寫的。 整個嵌入式系統(tǒng)分為兩大層：硬件層和軟件層。這里主要研究軟件層的架構(gòu)。軟件層主 要分為四個部分：實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，與處理器相關部分，與應用程序相關部分，用戶的應 用程序。
移植 µC/OS-II 系統(tǒng)需要修改的文件有：應用程序相關文件： OS_CFG.H INCLUDE.H； 處理器相關文件： OS_CPU.H、 OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C 。
3.2.1 與處理器相關的代碼 這是移植中最關鍵的部分。內(nèi)核將應用系統(tǒng)和底層硬件有機的結(jié)合成一個實時系統(tǒng)，要 使同一個內(nèi)核能適用于不同的硬件體系，就需要在內(nèi)核和硬件之間有一個中間層，這就是與 處理器相關的代碼。處理器不同。這部分代碼也不同。我們在移植時需要自己移植這部分代 碼。
a）OS_CPU.H
包括了用#define 定義的與處理器相關的常量，宏和類型定義，有系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型定義,棧 增長方向定義，關中斷和開中斷定義，系統(tǒng)軟中斷的定義等等。
b)OS_CPU_A.ASM
這部分需要對處理器的寄存器進行操作，所以必須用匯編語言來編寫。包括四個子函數(shù)： OSStartHighRdy()，OSCtxSw()，OSIntCtxSw()，OSTickISR()。OSStartHighRdy()在多任務 系統(tǒng)啟動函數(shù) OSStart()中調(diào)用。完成的功能是:設置系統(tǒng)運行標志位 OSRunning = TRUE； 將就緒表中最高優(yōu)先級任務的棧指針 Load 到 SP 中，并強制中斷返回。這樣就緒的最高優(yōu)先 級任務就如同從中斷里返回到運行態(tài)一樣，使得整個系統(tǒng)得以運轉(zhuǎn)。OSCtxSw()在任務級任 務切換函數(shù)中調(diào)用的。任務級切換是通過 SWI 或者 TRAP 人為制造的中斷來實現(xiàn)的。ISR 的向 量地址必須指向 OSCtxSw()。這一中斷完成的功能：保存任務的環(huán)境變量(主要是寄存器的值, 通過入棧來實現(xiàn)),將當前 SP 存入任務 TCB 中，載入就緒最高優(yōu)先級任務的 SP,恢復就緒最高 優(yōu)先級任務的環(huán)境變量，中斷返回。這樣就完成了任務級的切換。OSIntCtxSw()在退出中斷
服務函數(shù) OSIntExit()中調(diào)用,實現(xiàn)中斷級任務切換.由于是在中斷里調(diào)用，所以處理器的寄 存器入棧工作已經(jīng)做完，就不用作這部分工作了。具體完成的任務；調(diào)整棧指針(因為調(diào)用 函數(shù)會使任務棧結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)任務切換時堆棧標準結(jié)構(gòu)不一致)，保存當前任務 SP，載入就緒 最高優(yōu)先級任務的 SP，恢復就緒最高優(yōu)先級任務的環(huán)境變量，中斷返回。這樣就完成了中斷 級任務切換。OSTickISR()系統(tǒng)時鐘節(jié)拍中斷服務函數(shù)，這是一個周期性中斷，為內(nèi)核提供
時鐘節(jié)拍。頻率越高系統(tǒng)負荷越重。其周期的大小決定了內(nèi)核所能給應用系統(tǒng)提供的最小時 間間隔服務。一般只限于 ms 級(跟 MCU 有關),對于要求更加苛刻的任務需要用戶自己建立中 斷來解決.該函數(shù)具體內(nèi)容：保存寄存器(如果硬件自動完成就可以省略)，調(diào) OSIntEnter()， 調(diào)用 OSTimeTick()，調(diào)用 OSIntExit()，恢復寄存器，中斷返回。
c) OS_CPU_C.C
該文件中共定義了 6 個函數(shù)，但是最重要的是 OSTaskStkInit().其他都是對系統(tǒng)內(nèi)核的擴展 時用的. OSTaskStkInit()是在用戶建立任務時系統(tǒng)內(nèi)部自己調(diào)用的，對用戶任務的堆棧 進行初始化。使建立好的進入就緒態(tài)任務的堆棧與系統(tǒng)發(fā)生中斷并且將環(huán)境變量保存完畢時 的棧結(jié)構(gòu)一致。這樣就可以用中斷返回指令使就緒的任務運行起來。
3.2.2 與應用相關的代碼
這部分包括兩個文件：OS_CFG.H, INCLUDES.H。 用戶根據(jù)自己的應用系統(tǒng)來定制合適 的內(nèi)核服務功能。 OS_CFG.H 來配置內(nèi)核，用戶根據(jù)需要對內(nèi)核進行定制，留下需要的部 分,去掉不需要的部分，設置系統(tǒng)的基本情況。比如系統(tǒng)可提供的最大任務數(shù)量，是否定制 郵箱服務，是否需要系統(tǒng)提供任務掛起功能，是否提供任務優(yōu)先級動態(tài)改變功能等等。 INCLUDES.H 系統(tǒng)頭文件，整個實時系統(tǒng)程序所需要的文件，包括了內(nèi)核和用戶的頭文件。
3.3、用戶圖形接口
雖然 µC/OS-II 操作系統(tǒng)具有很高的實時性，但不像 WINCE、uCLinux 等操作系統(tǒng)那樣 有良好的圖形界面支持。所以，在使用液晶和觸摸屏的情況下需要移植用戶圖形接口程序。
這里使用的是 µC/GUI。µC/GUI 是一個軟件模塊集合，通過該模塊可以在我們的嵌入式產(chǎn)品 中加入用戶圖形接口（GUI）。µC/GUI 具有很高的執(zhí)行效率，并且與處理器和 LCD 控制器相 獨立。該模塊可以工作在單任務或者多任務環(huán)境，可以支持不同大小的顯示方式。
通過 µC/GUI 我們可以很方便的在液晶屏繪制圖形和界面。如果需要多種字體支持，必 須自己將相應的字體字庫加入到 µC/GUI 中。為了避免出現(xiàn)亂碼，盡量使用 GB2312 國標字 庫。
3.4、關于字庫的兼容性問題
我們國內(nèi)通常使用的漢字字庫是 GB 碼，但國際上使用的是 UNICODE 碼 ，所以如果數(shù)
據(jù)終端使用的是手機、PDA 等移動通信設備，那么在數(shù)據(jù)發(fā)送前必須進行字碼轉(zhuǎn)換，即 GB 碼 轉(zhuǎn)換為 UNICODE 碼或者 UNICODE 碼轉(zhuǎn)換為 GB 碼。
由于 GB 碼與 UNICODE 碼在排列組合上沒有任何規(guī)律，所以通常字碼轉(zhuǎn)換的方法就是 查表法。
4 、結(jié)束語
基于 ARM9 嵌入式系統(tǒng)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)與以往的監(jiān)控系統(tǒng)不同，高性能的處理器芯片大 大提高了系統(tǒng)的性能。使監(jiān)控系統(tǒng)能夠工作在比較惡劣的環(huán)境中。并且在設計上充分考慮到 了系統(tǒng)的可擴展性和兼容性問題，實現(xiàn)了本系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的無縫連接。以滿足不同工作環(huán) 境的需要。
作者創(chuàng)新觀點：本文設計的遠程監(jiān)控系統(tǒng)應用范圍更廣，更靈活、方便。通過各個功能模塊 的不同組合，可以十分方便快速的應用于各個領系域，真正實現(xiàn)智能化、自動化且具有較高 的性價比。
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