基于S3C44B0X和μC／OS－Ⅱ智能家居嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等科技的進(jìn)步，人們對自身的生活和工作環(huán)境有了更高的要求，由此對家居智能化控制系統(tǒng)的要求也越來越緊迫。設(shè)計(jì)家居智能化控制系統(tǒng)，對促進(jìn)住宅現(xiàn)代化建設(shè)具有重要意義。

家居智能化控制系統(tǒng)就是指利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、綜合布線技術(shù)，將與家居生活相關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，從而進(jìn)行統(tǒng)籌管理，使家居生活更加舒適、安全、有效。

近年來，嵌入式系統(tǒng)設(shè)備全面滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領(lǐng)域，本文針對智能家居嵌入式系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)需求，以S3C44B0X為處理器進(jìn)行智能家居系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)μC／OS-Ⅱ在S3C44B0X上的移植。

1 軟硬件選擇

目前主要的嵌入式處理器類型有386EX，SC-400，Power PC，MIPS，ARM／Strong，ARM系列等，其中ARM以其小體積、低功耗、低成本、高性能成為嵌入式處理器首選。S3C44B0X是Samsung公司推出的16／32位RISC處理器，基于ARM7TDMI內(nèi)核，提供3級流水線結(jié)構(gòu)。它一方面具有ARM處理器低功耗、高性能的特點(diǎn)，同時又具有非常豐富的片上資源。其特點(diǎn)如下：

(1)內(nèi)置鎖相環(huán)(PLL)，系統(tǒng)主頻最高達(dá)66 MHz；

(2)8路10位ADC，I2C，I2S總線控制器，6個PWM定時器；

(3)4種工作模式，正常、慢速、閑置和停止，可以根據(jù)需要切換系統(tǒng)工作方式，使系統(tǒng)功耗降低到最低限度；

(4)內(nèi)置彩色LCD控制器(最大支持256色的DSTN)，71個通用可編程I／O口和實(shí)時時鐘(RTC)。

由此可以看出，S3C44BOX具有高性能、低功耗、接口資源豐富的特點(diǎn)。這些特點(diǎn)可以較好地滿足家居智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。作為家居智能控制系統(tǒng)，除了具有局域網(wǎng)接口、PSTN接口、RS 485接口、藍(lán)牙接口外，還應(yīng)提供音頻視頻接口、HUB接口、報警傳感器接口等。這些接口可以實(shí)現(xiàn)音頻視頻自動切換、多臺PC同時上網(wǎng)、與各PC機(jī)結(jié)合完成家庭設(shè)備管理等功能。

μC／OS-Ⅱ是一種源碼公開的實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)。它完全是占先式的實(shí)時內(nèi)核，是基于優(yōu)先級的，即總是讓就緒態(tài)中優(yōu)先級最高的任務(wù)先運(yùn)行，因此實(shí)時性比非占先式的內(nèi)核要好。它包含了實(shí)時內(nèi)核、任務(wù)管理、時間管理、任務(wù)問通信同步(信號量、郵箱、消息隊(duì)列)和內(nèi)存管理等功能；它的絕大部分代碼用C語言編寫，可移植性強(qiáng)。目前，μC／OS-Ⅱ絕大多數(shù)可以在8位、16位、32位以至64位微處理器、微控制器、數(shù)字信號處理器(DSP)上運(yùn)行。

2 智能家居硬件設(shè)計(jì)

在選定了處理器之后，外圍電路就可按要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。其硬件框圖如圖1所示，主要包括：



2.1 存儲器系統(tǒng)

其中靜態(tài)存儲器由FLASH組成，用于存儲智能家居中的嵌入式操作系統(tǒng)、HTTP服務(wù)器、家庭網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器以及支持各種服務(wù)所需的文件系統(tǒng)。動態(tài)存儲器采用SDRAM，以提高系統(tǒng)的允許速度和采用操作系統(tǒng)來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，整個智能家居系統(tǒng)軟件平臺存儲在FLASH中，在系統(tǒng)啟動時，將從FLASH中運(yùn)行Boot-loader，解壓縮操作系統(tǒng)，并將其搬移到SDRAM中，完成搬移之后，所有程序從SDRAM中運(yùn)行。其中，F(xiàn)LASH選用SST公司生產(chǎn)的SST39VF160芯片。39VF160采用CMOS工藝設(shè)計(jì)，支持1 M的地址空間，20條地址總線，16條數(shù)據(jù)總線。SDRAM選用Hynix公司生產(chǎn)的HY57V641620芯片。HY57V641620存儲容量為4組×16 M(8 MB)，由于采用行／列地址鎖存機(jī)制，由行列地址共同構(gòu)成20條地址線，完成1 M的尋址范圍。

2.2 輸入／輸出系統(tǒng)

包含LCD液晶顯示、鍵盤以及微型打印機(jī)等，可以基本滿足測試數(shù)據(jù)等顯示以及人機(jī)交互的需要。

2.3 外部通訊接口

包括RS 232串口、以太網(wǎng)接口。RS 232接口用于系統(tǒng)同PC機(jī)之間的通訊，可以把測試系統(tǒng)保存的數(shù)據(jù)導(dǎo)出來，本系統(tǒng)采用國際通用的RS 232C作為串行接口；以太網(wǎng)接口則可以把整個測試系統(tǒng)連接到互聯(lián)網(wǎng)上，從而實(shí)現(xiàn)該測試系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.4 藍(lán)牙通信模塊

在家居控制器上使用藍(lán)牙技術(shù)主要是為了給家居控制器的各個功能模塊提供無線傳輸?shù)姆绞?。在家居中央控制器上可以采用藍(lán)牙模塊加開放藍(lán)牙協(xié)議的方式開發(fā)藍(lán)牙功能，綜合考慮成本、結(jié)構(gòu)等因素，信息家電可以采用藍(lán)牙模塊加單片機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙功能。將整個藍(lán)牙核心協(xié)議棧移植到單片機(jī)中顯然不合實(shí)際，可以采用這樣的開發(fā)方案：在藍(lán)牙HCI層的基礎(chǔ)上，根據(jù)信息家電信息傳輸?shù)膶?shí)際需求，建立相關(guān)協(xié)議，利用單片機(jī)直接和藍(lán)牙硬件模塊交換HCI指令，實(shí)現(xiàn)信息交互。單片機(jī)采集信息家電的相關(guān)信息通過藍(lán)牙模塊發(fā)送出去，藍(lán)牙模塊也可以將接收到的命令用HCI指令傳遞給單片機(jī)執(zhí)行。

2.5 溫度、濕度檢測和實(shí)時時鐘實(shí)現(xiàn)模塊

主要實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)控，便于控制系統(tǒng)采取適當(dāng)?shù)姆绞娇刂剖覂?nèi)環(huán)境。其中溫度采用溫度傳感器實(shí)現(xiàn)，實(shí)時時鐘采用S3C440BX自帶的RTC模塊實(shí)現(xiàn)。

3 μC／OS-Ⅱ在S3C44B0X上的移植

μC／OS-Ⅱ在S3C44B0X上的移植，需要修改3個與ARM體系相關(guān)的文件：OS_CPU.H，OS_CPU_C.C，OS_CPU.ASM。在μC／OS-Ⅱ的移植過程中，采用ADS作為編譯器，ADS由一套完備的應(yīng)用程序構(gòu)成，可用來編寫和調(diào)試ARM系列的RISC處理器的應(yīng)用程序，并可通過主機(jī)和實(shí)時分析工具讓使用者對應(yīng)用程序進(jìn)行完整的分析，加速實(shí)時嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和測試。

3.1 設(shè)置OS_CPU.H中與處理器和編譯器相關(guān)的代碼

這部分代碼的定義主要包括數(shù)據(jù)類型的定義、開關(guān)中斷代碼的宏定義、任務(wù)切換時執(zhí)行代碼的定義和堆棧增長方向的定義。在S3C44B0X中，所有的任務(wù)堆棧都是用OS_TSK聲明數(shù)據(jù)類型，用OS_ENTER_CRITI-CAL()和OS_EXIT_CRITICAL()實(shí)現(xiàn)開關(guān)中斷，用結(jié)構(gòu)常量OS_STK_GROWTH來指定堆棧的生長方式。

3.2 編寫與操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)OS_CPU_C.C

μC／OS-Ⅱ定義了6個函數(shù)在該文件中，其中OSTa-skStklnit()是任務(wù)堆棧初始化函數(shù)，其他5個函數(shù)都是Hook函數(shù)，即OSTaskCreateHook()，OSTaskDelHook()，OSTaskSwHook( )，OSTaskStatHook( )，OsTimeTickHook()等接口函數(shù)，是系統(tǒng)預(yù)留給用戶添加功能的，只要聲明，可以不包含代碼，當(dāng)用戶需要額外擴(kuò)展功能時，在這5個函數(shù)中選擇加入就可。實(shí)際上需要修改的只有OSTaskStklnit()函數(shù)，該函數(shù)用來初始化任務(wù)堆棧，使得任務(wù)堆棧建立時與發(fā)生1次中斷后的堆棧結(jié)構(gòu)相同。S3CA4B0X的堆棧結(jié)構(gòu)如圖2所示。在修改OSTaskStklnit()函數(shù)時應(yīng)依照該結(jié)構(gòu)進(jìn)行。



3.3 編寫與處理器相關(guān)的函數(shù)OS_CPU.ASM

這部分代碼是對處理器的寄存器進(jìn)行操作，必須用匯編語言來編寫，包括以下4個子函數(shù)：

3.3.1 OSStanHighRdy()

運(yùn)行優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)，此函數(shù)是在OS-Start()多任務(wù)啟動后，負(fù)責(zé)從最高優(yōu)先級任務(wù)的TCB控制塊中獲得該任務(wù)的堆棧指針SP，通過SP依次將CPU現(xiàn)場恢復(fù)，這時，系統(tǒng)就將控制權(quán)交給用戶創(chuàng)建的該任務(wù)進(jìn)程，直到該任務(wù)堵塞或者被其他更高優(yōu)先級的任務(wù)搶占CPU。該函數(shù)僅在多任務(wù)啟動時被執(zhí)行一次，之后多任務(wù)的調(diào)度和切換由以下函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

3.3.2 OSCtxsw()

可實(shí)現(xiàn)任務(wù)級的上下切換，任務(wù)級切換是通過SWI或者TRAP人為制造的中斷來實(shí)現(xiàn)。ISR的向量地址必須指向OSCtxSw()，這一中斷完成的功能為：保存任務(wù)的環(huán)境變量(主要是寄存器的值，通過入棧來實(shí)現(xiàn))，將當(dāng)前SP存入任務(wù)控制塊中，載入就緒最高優(yōu)先級任務(wù)的SP，恢復(fù)就緒態(tài)最高優(yōu)先級任務(wù)的環(huán)境變量，中斷返回，以完成任務(wù)級的切換。

3.3.3 OSIntCtxSw()

中斷級的任務(wù)切換，在時鐘中斷ISR中(中斷服務(wù)例程)如果發(fā)現(xiàn)有高優(yōu)先級等待的時鐘信號到來，則在中斷中退出后并不返回被中斷任務(wù)，而是直接調(diào)度高優(yōu)先級的任務(wù)執(zhí)行，從而能夠盡快地讓高優(yōu)先級任務(wù)得到響應(yīng)，保證系統(tǒng)的實(shí)時性能。其原理基本上與任務(wù)級的切換相同，但是由于進(jìn)人中斷時已經(jīng)保存了被中斷任務(wù)的CPU現(xiàn)場，因此不再進(jìn)行類似的操作，只需對堆棧指針做相應(yīng)調(diào)整。

3.3.4 OSTicklSR()

OSTickISR()是一個周期性函數(shù)，為內(nèi)核提供時鐘節(jié)拍中斷。頻率越高、系統(tǒng)負(fù)荷越大、其周期的大小決定了內(nèi)核所能給應(yīng)用系統(tǒng)提供的最小時間間隔。一般只限于毫秒級(跟處理器有關(guān))，對于要求更加苛刻的任務(wù)，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，調(diào)用OSIntEnter()，調(diào)用OSTimeTick()，調(diào)用OSIntExit()，恢復(fù)寄存器，中斷返回。但注意不要在OSStaut()之前調(diào)用OSTickISR()。

完成以上3個程序的改寫，μC／OS-Ⅱ就可以在S3C44BOX上正確運(yùn)行。

4 結(jié)語

家居智能控制系統(tǒng)是家庭內(nèi)外信息交換和家電控制的平臺。本文采用SAMSUNG公司的S3C44BOX芯片設(shè)計(jì)硬件和軟件，克服8位單片機(jī)處理速度慢、接口資源和存儲資源不足的限制。在實(shí)驗(yàn)調(diào)試過程中，該系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好、工作穩(wěn)定。證明其設(shè)計(jì)是實(shí)用、有效的。但智能家居嵌入式系統(tǒng)是一個比較大的系統(tǒng)，目前只是涉及到其中核心部分，其他部分還需繼續(xù)探討。

發(fā)布者：呂勇