基于A(yíng)RM嵌入式的遠程監控系統設計

1 引言

　　監控系統現已成為現代化生產(chǎn)、生活中不可缺少的重要組成部分。目前，監控系列產(chǎn)品 種類(lèi)繁多，大部分廣泛應用于交通、醫院、銀行、家居、學(xué)校等安防領(lǐng)域。

　　隨著(zhù)嵌入式系統的出現，尤其是基于 arm 內核芯片的嵌入式系統的出現，使得監控系統的應用領(lǐng)域更為廣泛。本文設計的遠程監控報警系統除了作為安防功能外，還可以應用于 以下領(lǐng)域：通訊領(lǐng)域：遠程通訊、視頻會(huì )議和視頻點(diǎn)播、證券、遠程教育等。醫療領(lǐng)域：病 房監護、遠程診斷等。工業(yè)領(lǐng)域：遠程設備診斷、維護、維修，遠程生產(chǎn)監控等。家用領(lǐng)域：家用電器遠程維護；電、氣、火等重大事故自動(dòng)報警等。

2 系統設計

　　2.1系統組成

　　本文設計的遠程監控系統主要由中心控制器、數據終端、傳感器模塊、通訊模塊、接口模塊等幾部分組成。系統組成圖（如圖 1）。

　　2.2中心控制器

　　系統核心負責數據采集判斷處理。為了提高系統工作效率，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?xún)r(jià)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 內核，最高工作頻率 203MHz，LCD 控制器：可直接驅動(dòng)真彩液晶屏，最高支持 2048×1024 真彩液晶屏，2 個(gè) USB Host端口，1 個(gè)USB Device端口，支持 Nand flash 啟動(dòng)模式，SD 卡接口，UART、IIC、SPI、IIS 等多種類(lèi) 型串行接口， 4 通道DMA。

　　本文的監控系統的 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。如果該監控系統的使用環(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，內部集成CMOS攝像頭接口，但價(jià)格較昂貴。

　　2.3數據終端

　　數據終端的主要功能是對監控數據進(jìn)行分析、處理，及時(shí)將數據匯報給監控人員。同時(shí)，監控人員可以根據現場(chǎng)情況，使用數據終端對監控的設備進(jìn)行遠程控制。數據終端最大優(yōu)勢 就是安全、可靠、便于攜帶。一般情況下為了節約成本，可以將手機、PDA 等移動(dòng)通訊設 備作為數據終端使用。但是如果作為對高危環(huán)境或精密儀器的監控系統，數據終端需要專(zhuān)業(yè) 定制。這里使用的是中心控制器的作為數據終端，即中心控制器既作為數據采集發(fā)送中心，也可數據接收處理中心使用。

　　2.4通訊模塊

　　通訊模塊主要負責遠程數據通訊。帶有 RS232/485、GPRS、CDMA 等一種或多種通訊 方式。需要根據現場(chǎng)環(huán)境和用戶(hù)需要進(jìn)行定制。通訊模塊與控制器通過(guò)接口總線(xiàn)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(jìn)行實(shí)時(shí)監測。由人體紅外傳感器、 振動(dòng)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F場(chǎng)監測環(huán)境不同進(jìn)行定制。

　　2.6接口模塊

　　接口模塊主要作為系統擴展功能使用，將控制器的 A/D 轉換、I2C、SPI 等多種接口進(jìn)行 外部擴展。接口模塊沒(méi)有特定的功能，但可以根據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(shí)時(shí)對儀器或設備進(jìn)行監控。

　　接口模塊雖然不是監控系統的主要部分，但是對于整個(gè)系統來(lái)說(shuō)卻是不可缺少。因為本文的監控系統主要考慮到了系統的可擴展性和與其它系統無(wú)縫連接。通過(guò)接口模塊可以很方 便的對監控系統進(jìn)行升級，并且可以實(shí)現與其他系統或設備的無(wú)縫連接。這也是本系統區優(yōu) 于其他監控系統的主要功能。

3 軟件設計

　　3.1工作軟件

　　系統的軟件設計較為復雜，這里只給出了整個(gè)工作軟件流程（如圖 2）。

　　3.2操作系統移植

　　S3C2410 芯片支持多種嵌入式操作系統，如 WINCE、uCLinux 等。但考慮到監控系統 的實(shí)時(shí)性要求，這里使用的是 μC/OS-II 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統。μC/OS-II 是一個(gè)源碼公開(kāi)、可 移植、可固化、可裁剪、占先式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統。其絕大部分源碼是用 ANSI C 寫(xiě)的。 整個(gè)嵌入式系統分為兩大層：硬件層和軟件層。這里主要研究軟件層的架構。軟件層主 要分為四個(gè)部分：實(shí)時(shí)操作系統內核，與處理器相關(guān)部分，與應用程序相關(guān)部分，用戶(hù)的應用程序。移植 μC/OS-II 系統需要修改的文件有：應用程序相關(guān)文件： OS_CFG.HINCLUDE.H； 處理器相關(guān)文件： OS_CPU.H、 OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C。

　　3.2.1 與處理器相關(guān)的代碼

　　這是移植中最關(guān)鍵的部分。內核將應用系統和底層硬件有機的結合成一個(gè)實(shí)時(shí)系統，要 使同一個(gè)內核能適用于不同的硬件體系，就需要在內核和硬件之間有一個(gè)中間層，這就是與 處理器相關(guān)的代碼。處理器不同。這部分代碼也不同。我們在移植時(shí)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(guān)的常量，宏和類(lèi)型定義，有系統數據類(lèi)型定義,棧 增長(cháng)方向定義，關(guān)中斷和開(kāi)中斷定義，系統軟中斷的定義等等。

　　b)OS_CPU_A.ASM

　　這部分需要對處理器的寄存器進(jìn)行操作，所以必須用匯編語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)。包括四個(gè)子函數： OSStartHighRdy()，OSCtxSw()，OSIntCtxSw()，OSTickISR()。OSStartHighRdy()在多任務(wù) 系統啟動(dòng)函數 OSStart()中調用。完成的功能是:設置系統運行標志位 OSRunning = TRUE； 將就緒表中最高優(yōu)先級任務(wù)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(wù)就如同從中斷里返回到運行態(tài)一樣，使得整個(gè)系統得以運轉。OSCtxSw()在任務(wù)級任 務(wù)切換函數中調用的。任務(wù)級切換是通過(guò) SWI 或者 TRAP 人為制造的中斷來(lái)實(shí)現的。ISR 的向 量地址必須指向 OSCtxSw()。這一中斷完成的功能：保存任務(wù)的環(huán)境變量(主要是寄存器的值, 通過(guò)入棧來(lái)實(shí)現),將當前 SP 存入任務(wù) TCB 中，載入就緒最高優(yōu)先級任務(wù)的 SP,恢復就緒最高 優(yōu)先級任務(wù)的環(huán)境變量，中斷返回。這樣就完成了任務(wù)級的切換。

　　OSIntCtxSw()在退出中斷服務(wù)函數 OSIntExit()中調用,實(shí)現中斷級任務(wù)切換.由于是在中斷里調用，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(wù)；調整棧指針(因為調用 函數會(huì )使任務(wù)棧結構與系統任務(wù)切換時(shí)堆棧標準結構不一致)，保存當前任務(wù) SP，載入就緒 最高優(yōu)先級任務(wù)的 SP，恢復就緒最高優(yōu)先級任務(wù)的環(huán)境變量，中斷返回。這樣就完成了中斷 級任務(wù)切換。OSTickISR()系統時(shí)鐘節拍中斷服務(wù)函數，這是一個(gè)周期性中斷，為內核提供時(shí)鐘節拍。頻率越高系統負荷越重。其周期的大小決定了內核所能給應用系統提供的最小時(shí) 間間隔服務(wù)。一般只限于 ms 級(跟 MCU 有關(guān)),對于要求更加苛刻的任務(wù)需要用戶(hù)自己建立中 斷來(lái)解決.該函數具體內容：保存寄存器(如果硬件自動(dòng)完成就可以省略)，調 OSIntEnter()， 調用 OSTimeTick()，調用 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(gè)函數，但是最重要的是 OSTaskStkInit().其他都是對系統內核的擴展時(shí)用的.OSTaskStkInit()是在用戶(hù)建立任務(wù)時(shí)系統內部自己調用的，對用戶(hù)任務(wù)的堆棧 進(jìn)行初始化。使建立好的進(jìn)入就緒態(tài)任務(wù)的堆棧與系統發(fā)生中斷并且將環(huán)境變量保存完畢時(shí) 的棧結構一致。這樣就可以用中斷返回指令使就緒的任務(wù)運行起來(lái)。

　　3.2.2與應用相關(guān)的代碼

　　這部分包括兩個(gè)文件：OS_CFG.H, INCLUDES.H。 用戶(hù)根據自己的應用系統來(lái)定制合適 的內核服務(wù)功能。OS_CFG.H 來(lái)配置內核，用戶(hù)根據需要對內核進(jìn)行定制，留下需要的部 分,去掉不需要的部分，設置系統的基本情況。比如系統可提供的最大任務(wù)數量，是否定制 郵箱服務(wù)，是否需要系統提供任務(wù)掛起功能，是否提供任務(wù)優(yōu)先級動(dòng)態(tài)改變功能等等。 INCLUDES.H 系統頭文件，整個(gè)實(shí)時(shí)系統程序所需要的文件，包括了內核和用戶(hù)的頭文件。

　　3.3用戶(hù)圖形接口

　　雖然 μC/OS-II 操作系統具有很高的實(shí)時(shí)性，但不像 WINCE、uCLinux 等操作系統那樣 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(hù)圖形接口程序。這里使用的是 μC/GUI。μC/GUI 是一個(gè)軟件模塊集合，通過(guò)該模塊可以在我們的嵌入式產(chǎn)品 中加入用戶(hù)圖形接口（GUI）。μC/GUI 具有很高的執行效率，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(wù)或者多任務(wù)環(huán)境，可以支持不同大小的顯示方式。

　　通過(guò) 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。為了避免出現亂碼，盡量使用 GB2312 國標字庫。

　　3.4關(guān)于字庫的兼容性問(wèn)題

　　我們國內通常使用的漢字字庫是 GB 碼，但國際上使用的是 UNICODE 碼 ，所以如果數據終端使用的是手機、PDA 等移動(dòng)通信設備，那么在數據發(fā)送前必須進(jìn)行字碼轉換，即 GB 碼 轉換為 UNICODE 碼或者 UNICODE 碼轉換為 GB 碼。由于 GB 碼與 UNICODE 碼在排列組合上沒(méi)有任何規律，所以通常字碼轉換的方法就是 查表法。

4 結束語(yǔ)

　　基于 arm9 嵌入式系統的遠程監控系統與以往的監控系統不同，高性能的處理器芯片大 大提高了系統的性能。使監控系統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 了系統的可擴展性和兼容性問(wèn)題，實(shí)現了本系統與其他系統的無(wú)縫連接。以滿(mǎn)足不同工作環(huán) 境的需要。