μC/OS-II在數字微波監控系統中的應用

　　0 引言

　　隨著(zhù)嵌入式系統開(kāi)發(fā)的普及和深入，在更加復雜的應用中傳統軟件開(kāi)發(fā)手段難以滿(mǎn)足需求，嵌入式操作系統在開(kāi)發(fā)中扮演著(zhù)越來(lái)越重要的角色，已經(jīng)被廣泛應用于手機、移動(dòng)計算機設備、網(wǎng)絡(luò )設備和工控仿真等領(lǐng)域。嵌入式操作系統μC/OS-II源碼是公開(kāi)的，而且它是可移植、可固化、可裁減及可剝奪型的多任務(wù)實(shí)時(shí)內核，可用于各類(lèi)8位、16位和32位單片機和DSP，目前得到廣泛應用。本文給出一種數字微波設備監控系統的設計，該系統引入μC/OS-II之后，系統的開(kāi)發(fā)效率得到提高，整個(gè)系統的健壯性得到增強，文中對軟件設計應用中遇到的關(guān)鍵問(wèn)題作了深入討論并給出了相應的解決方案。

　　1 數字微波設備監控系統的設計

　　微波通信是一種利用微波傳輸信息的通信手段,數字微波采用數字信號處理技術(shù),利用微波信道傳輸數字信號，以下給出一種數字微波通信系統中監控系統的設計[1]。由兩個(gè)端站組成一條微波鏈路，每個(gè)端站含一個(gè)室內單元IDU(In-Door Unit)、一個(gè)室外單元ODU(Out-Door Unit)、連接室內單元和室外單元的同軸電纜、以及微波天線(xiàn)。本文主要討論IDU監控部分CPU相關(guān)內容的軟硬件設計。

　　1.1 微波監控IDU部分硬件設計

　　IDU組成框圖如圖1所示，主要由業(yè)務(wù)接口、輔助業(yè)務(wù)、復分接、微波幀分復接、中頻調制解調、中頻分合路器、電源、CPU及相關(guān)接口組成。

　　主業(yè)務(wù)數據通過(guò)業(yè)務(wù)接口電路復接后，與公務(wù)、輔助數據信號等一起進(jìn)入微波幀復接模塊，復接成微波幀信號，由調制模塊完成調制，通過(guò)中頻分合路器送往ODU。從ODU送來(lái)的中頻信號經(jīng)過(guò)中頻分合路器送往解調模塊解調出數據，送到微波幀分接電路，分接出主業(yè)務(wù)、公務(wù)以及輔助數據信息，通過(guò)主業(yè)務(wù)接口電路分接出各支路主業(yè)務(wù)數據。CPU對所傳輸的業(yè)務(wù)數據進(jìn)行監視和控制，監視所傳數據的狀態(tài)、性能等信息，可設置所傳數據的各種參數，通過(guò)輔助業(yè)務(wù)接口可提取和插入各種控制信息。

　　CPU采用PHILIPS公司的32位ARM芯片lpc2214[2]，該芯片接口豐富，硬件設計時(shí)CPU相關(guān)接口完成功能如下：輸入接口提供按鍵設置掃描電路，輸出接口通過(guò)液晶、告警燈及蜂鳴器輸出信息，通過(guò)I2C接口CPU可實(shí)現對串行E2PROM、時(shí)鐘芯片的存取，CPU本身提供SPI接口，通過(guò)該接口實(shí)現本端與遠端控制信息的交換。串行接口提供一種監控手段，可實(shí)現CPU與PC機的通信，完成狀態(tài)讀取和各種命令的設置，以太網(wǎng)接口通過(guò)擴展以太網(wǎng)接口芯片實(shí)現，通過(guò)以太網(wǎng)接口建立與網(wǎng)管中心的通信，可實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化的管理。OOK(On/Off—Keying)調制解調電路完成IDU與ODU之間的通信，通過(guò)該電路，IDU可對ODU進(jìn)行設置發(fā)功率、收發(fā)頻率、監視ODU的工作狀態(tài)等。

　　1.2 軟件結構

　　軟件總體分為應用程序和μC/OS-II兩部分，應用程序是用戶(hù)代碼部分，采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，完成對整個(gè)系統的監控;μC/OS-II為一種嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統，其大部分程序使用C語(yǔ)言編寫(xiě)，還有一小部分和處理器密切相關(guān)的代碼使用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，μC/OS-II包括了三部分，即μC/OS-II核心代碼、配置代碼和移植代碼[3]。

　　其中，核心代碼：包括10個(gè)C程序文件和一個(gè)頭文件，主要實(shí)現了系統調度、任務(wù)管理、內存管理、信號量、消息郵箱和消息隊列等系統功能，而這些功能的實(shí)現與處理器類(lèi)型無(wú)關(guān)。

　　配置代碼：包括2個(gè)頭文件，用于裁剪和配置μC/OS-II，這部分代碼根據用戶(hù)的實(shí)際需求來(lái)配置μC/OS-II系統。

　　移植代碼：這部分主要包括1個(gè)匯編文件、1個(gè)C程序文件和一個(gè)頭文件，這部分根據具體的處理器移植μC/OS-II系統的需要修改，它和處理器關(guān)系密切。

　　2 μC/OS-II在微波監控系統中的應用

　　2.1 應用程序中任務(wù)的設計與劃分

　　根據實(shí)際的需要，應用軟件劃分為7個(gè)任務(wù):液晶顯示、按鍵接收和告警、時(shí)間標志處理、遠端信息處理、數據處理、串口任務(wù)處理，如圖2所示。

　　圖2 應用程序中任務(wù)的劃分

　　(1) Task_LCD_OP：主要是處理菜單的顯示，根據不同的菜單顯示設備的相關(guān)信息，并且完成將設置數據保存到公共變量中。

　　(2) Task_KEY：主要完成外部按鍵信號的掃描，按照不同的按鍵轉換為不同的編碼，并把其值保存到公共變量中。

　　(3) Task_TIME_FLG：實(shí)現設置時(shí)間標志，以使其它任務(wù)完成定時(shí)任務(wù)，因為有許多的定時(shí)任務(wù),所以設立了一個(gè)單獨的任務(wù)來(lái)設置或取消時(shí)間標志。

　　(4) Task_SPI_OP：通過(guò)SPI接口完成遠端信息交換處理以及數據鏈路各接口環(huán)回等設置。

　　(5) Task_DATA_OP：主要完成網(wǎng)絡(luò )數據管理、AD轉換、公務(wù)的控制，控制微波接口、時(shí)鐘芯片的設置和讀取，完成誤碼率的計算以及對串行E2PEOM存儲芯片數據的存取。

　　(6) Task_COMM1：主要是完成出串口與其它設備間通信數據的收發(fā)。

　　(7) Task_ODUCOMM0：主要是IDU和ODU設備的通信。

　　2.2 任務(wù)的創(chuàng )建

　　經(jīng)過(guò)分析和設計之后，就可以使用μC/OS- II所提供的函數創(chuàng )建任務(wù)[4]，這里給出了如何創(chuàng )建液晶顯示任務(wù)的實(shí)例，其它任務(wù)的創(chuàng )建與之類(lèi)似，其過(guò)程如下：

　　OSTaskCreate (Task_LCD_OP,(void *)0, &LCDopreate[TaskStkLengh - 1],8);

　　Task_LCD_OP是要創(chuàng )建的任務(wù);(void *)0是傳遞給任務(wù)的參數，因為這里所創(chuàng )建的任務(wù)沒(méi)有參數，所以其值為0;&LCDopreate[TaskStkLengh - 1]是分配給任務(wù)的堆棧，這在程序中是事先定義好的，最后一個(gè)數字8是分配給該任務(wù)的優(yōu)先級。

　　2.4 任務(wù)優(yōu)先級的劃分

　　為了使整個(gè)系統的實(shí)時(shí)性能夠得到滿(mǎn)足，所以要以任務(wù)的緊迫性、關(guān)鍵性、頻繁性和中斷的重要性等為依據，對不同的任務(wù)安排不同優(yōu)先級別[5]。在系統優(yōu)先級的分配上，μC/OS-II系統級保留了0和1，用戶(hù)程序任務(wù)優(yōu)先級從2開(kāi)始，最低優(yōu)先級定義為12。

　　在該監控系統中，任務(wù)不同，對實(shí)時(shí)性要求也不同，通過(guò)定時(shí)任務(wù)來(lái)控制。定時(shí)任務(wù)劃分為20ms到5s多個(gè)時(shí)間級別，在同一個(gè)任務(wù)中可以再定時(shí)地處理一些事務(wù)。其中，單獨設置了一個(gè)任務(wù)Task_TIME_FLG來(lái)處理這些時(shí)間等級的劃分和管理，由于它的運行涉及到其它任務(wù)的時(shí)間標志，是一個(gè)關(guān)鍵任務(wù)，所以必須將其運行優(yōu)先級設置為用戶(hù)程序的最高級別。系統中除了對設備進(jìn)行設置外，其余時(shí)間主要通過(guò)串行接口進(jìn)行信息交互，也是較為重要和緊迫的，這一工作由串口1來(lái)承擔，所以在設置Task_COMM1的優(yōu)先級次之;其次是Task_ODUCOMM0;Task_DATA_OP數據操作任務(wù)對實(shí)時(shí)性要求不高，級別隨之降低;Task_SPI_OP任務(wù)因其數據量小，故不是緊迫任務(wù);Task_KEY按鍵任務(wù)、Task_LCD_OP液晶顯示是實(shí)現人機交互的，所以實(shí)時(shí)性要求也比較低。

　　從以上分析可以把任務(wù)的優(yōu)先級進(jìn)行如下分配：Task_TIME_FLG為2，Task_COMM1為3，Task_ODUCOMM0為4，Task_DATA_OP為5，Task_SPI_OP為6，Task_KEY為7，Task_LCD_OP為8。

　　2.5 任務(wù)的調度

　　μC/OS-II調度的依據是任務(wù)就緒隊列表，系統從處于就緒隊列的任務(wù)中選擇一個(gè)優(yōu)先級最高的來(lái)運行，它可以管理多達64個(gè)任務(wù)。對于多任務(wù)的管理,μC/OS- II 是通過(guò)調度器完成。其中任務(wù)級的調度是由函數OSSched()完成, 而中斷級的調度是由函數OSIntExiT()完成。

　　本系統的任務(wù)中，Task_TIME_FLG時(shí)間標志處理任務(wù)優(yōu)先級最高，運行也最頻繁，它和其它任務(wù)切換是屬于普通的任務(wù)切換，而Task_COMM1和Task_ODUCOMM0的任務(wù)切換是屬于中斷級的切換，只有在發(fā)生中斷時(shí)才切換，正常運行時(shí)和普通任務(wù)的切換方式一樣。其余任務(wù)的切換都作為普通切換方式處理。在任務(wù)切換過(guò)程中如果當前任務(wù)需要延時(shí)判斷，為保證其它任務(wù)的正常運行，可通過(guò)調用函數OSTimeDly(2)掛起當前任務(wù)，其中鍵顯部分有三級菜單，每一級菜單又有許多選項，為了提高按鍵掃描的實(shí)時(shí)性，在進(jìn)入每一級菜單后必須調用該函數掛起當前任務(wù)，并掃描有無(wú)按鍵，如有則執行對應處理程序，沒(méi)有按鍵則把自己掛起，直到有按鍵方可退出。μC/OS-II如此處理，程序不會(huì )死等，按鍵和菜單顯示配合很協(xié)調，只要有按鍵就能得到及時(shí)處理。

　　2.6 中斷的設置與使用

　　在A(yíng)RM7體系的CPU中，最多可以有32個(gè)中斷源。對每個(gè)具體的中斷源，可以將其定義為快速FIQ中斷，使其具有最高的優(yōu)先級;也可以定義為向量IRQ中斷，使其具有中等優(yōu)先級，但向量IRQ的總數不能超過(guò)16個(gè)。μC/OS-II本身使用一個(gè)定時(shí)中斷源作為系統節拍中斷。

　　μC/OS-II響應中斷的過(guò)程：當系統接收到中斷請求后，并且CPU處于中斷開(kāi)放狀態(tài)，系統就會(huì )終止當前運行的任務(wù)，按照中斷向量的指向運行中斷服務(wù)子程序;當中斷運行結束后，系統就會(huì )返回到被中止的任務(wù)繼續運行，或者轉向運行另一個(gè)更高優(yōu)先級的就緒任務(wù)。

　　本系統中使用了兩個(gè)定時(shí)中斷源、兩個(gè)串口中斷源、一個(gè)I2C中斷源。μC/OS-II中斷的設置和初始化由target.c中的TargetInit函數完成，通過(guò)該函數實(shí)現了串口、I2C和定時(shí)中斷的初始化設置。其中VICInit實(shí)現過(guò)程如下，將中斷服務(wù)子程序的地址寫(xiě)到相應的中斷向量寄存器(VICVectAddrx)，并從相應的中斷向量控制寄存器(VICVectCntlx)選中相應的中斷，將其啟用。當CPU接收到中斷請求就能找到對應中斷服務(wù)程序的地址，并轉到中斷服務(wù)程序去運行。

　　2.7 堆棧的設置與使用

　　堆棧是依據“后進(jìn)先出(LIFO)”原則組織的連續存儲空間。為滿(mǎn)足任務(wù)切換、響應中斷以及存儲任務(wù)私有數據的需要，每個(gè)任務(wù)都配有自己的堆棧。

　　由于lpc2214的片內Flash是256KB，片內RAM是16KB，根據需要CPU沒(méi)有擴展外部閃存，故要求代碼精練，RAM分配一定要合理。尤其是在液晶顯示任務(wù)中，由于顯示的菜單項目較多，因此任務(wù)之間切換增加了RAM的需求。如果每個(gè)任務(wù)堆棧開(kāi)辟過(guò)小，任務(wù)切換時(shí)就會(huì )出現私有數據丟失，堆棧溢出直至程序運行出錯;反之堆棧設置過(guò)大，就會(huì )使內存RAM空間緊張，因此設置堆?？臻g必須適中。本系統中開(kāi)始設置顯示任務(wù)堆棧大小為64個(gè)字，調試運行中發(fā)現進(jìn)入多級菜單時(shí)會(huì )出現程序死鎖的現象，擴大對應任務(wù)堆?？臻g問(wèn)題就得到解決。

　　3 軟件的調試環(huán)境與下載

　　該系統需要建立ADS1.2集成仿真環(huán)境，使用了廣州周立功單片機發(fā)展有限公司提供的專(zhuān)用工程模板。如果硬件沒(méi)有擴展外部存儲器，就使用LPC2100的工程模板;否則使用LPC2200的工程模板。在調試過(guò)程中選用DebugInFLASH模式燒寫(xiě)調試;軟硬件調試完成，可選用RelInFlash模式燒寫(xiě)，后一種燒寫(xiě)方式會(huì )加密芯片，使之無(wú)法二次燒寫(xiě);如果加密之后需要重新燒寫(xiě)芯片，就必須使用ISP進(jìn)行解密之后方可燒寫(xiě)，調試程序時(shí)一定要注意這點(diǎn)。

　　4 結束語(yǔ)

　　μC/OS-II應用于數字微波監控系統軟件開(kāi)發(fā)之后，系統的軟件結構更加簡(jiǎn)潔實(shí)用，系統的實(shí)時(shí)性和穩定性得到提高，設備在實(shí)際應用中表現穩定可靠，并取得一定的經(jīng)濟效益，μC/OS-II在嵌入式系統中具有廣泛的應用推廣價(jià)值。