基于S3C44B0X和μC／OS－Ⅱ智能家居嵌入式系統設計

隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的飛速發(fā)展及計算機控制技術(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的要求也越來(lái)越緊迫。設計家居智能化控制系統，對促進(jìn)住宅現代化建設具有重要意義。

家居智能化控制系統就是指利用先進(jìn)的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)、綜合布線(xiàn)技術(shù)，將與家居生活相關(guān)的各種子系統有機結合，從而進(jìn)行統籌管理，使家居生活更加舒適、安全、有效。

近年來(lái)，嵌入式系統設備全面滲透到人們日常生活的各個(gè)領(lǐng)域，本文針對智能家居嵌入式系統的軟硬件設計需求，以S3C44B0X為處理器進(jìn)行智能家居系統的硬件設計，以實(shí)現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(lèi)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A(yíng)RM7TDMI內核，提供3級流水線(xiàn)結構。它一方面具有ARM處理器低功耗、高性能的特點(diǎn)，同時(shí)又具有非常豐富的片上資源。其特點(diǎn)如下：

(1)內置鎖相環(huán)(PLL)，系統主頻最高達66 MHz；

(2)8路10位ADC，I2C，I2S總線(xiàn)控制器，6個(gè)PWM定時(shí)器；

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

(4)內置彩色LCD控制器(最大支持256色的DSTN)，71個(gè)通用可編程I／O口和實(shí)時(shí)時(shí)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(mǎn)足家居智能控制系統的設計需要。作為家居智能控制系統，除了具有局域網(wǎng)接口、PSTN接口、RS 485接口、藍牙接口外，還應提供音頻視頻接口、HUB接口、報警傳感器接口等。這些接口可以實(shí)現音頻視頻自動(dòng)切換、多臺PC同時(shí)上網(wǎng)、與各PC機結合完成家庭設備管理等功能。

μC／OS-Ⅱ是一種源碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統。它完全是占先式的實(shí)時(shí)內核，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)先運行，因此實(shí)時(shí)性比非占先式的內核要好。它包含了實(shí)時(shí)內核、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)問(wèn)通信同步(信號量、郵箱、消息隊列)和內存管理等功能；它的絕大部分代碼用C語(yǔ)言編寫(xiě)，可移植性強。目前，μC／OS-Ⅱ絕大多數可以在8位、16位、32位以至64位微處理器、微控制器、數字信號處理器(DSP)上運行。

2 智能家居硬件設計

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



2.1 存儲器系統

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、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。動(dòng)態(tài)存儲器采用SDRAM，以提高系統的允許速度和采用操作系統來(lái)保證系統的穩定性，整個(gè)智能家居系統軟件平臺存儲在FLASH中，在系統啟動(dòng)時(shí)，將從FLASH中運行Boot-loader，解壓縮操作系統，并將其搬移到SDRAM中，完成搬移之后，所有程序從SDRAM中運行。其中，FLASH選用SST公司生產(chǎn)的SST39VF160芯片。39VF160采用CMOS工藝設計，支持1 M的地址空間，20條地址總線(xiàn)，16條數據總線(xiàn)。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／列地址鎖存機制，由行列地址共同構成20條地址線(xiàn)，完成1 M的尋址范圍。

2.2 輸入／輸出系統

包含LCD液晶顯示、鍵盤(pán)以及微型打印機等，可以基本滿(mǎn)足測試數據等顯示以及人機交互的需要。

2.3 外部通訊接口

包括RS 232串口、以太網(wǎng)接口。RS 232接口用于系統同PC機之間的通訊，可以把測試系統保存的數據導出來(lái)，本系統采用國際通用的RS 232C作為串行接口；以太網(wǎng)接口則可以把整個(gè)測試系統連接到互聯(lián)網(wǎng)上，從而實(shí)現該測試系統的遠程監控。

2.4 藍牙通信模塊

在家居控制器上使用藍牙技術(shù)主要是為了給家居控制器的各個(gè)功能模塊提供無(wú)線(xiàn)傳輸的方式。在家居中央控制器上可以采用藍牙模塊加開(kāi)放藍牙協(xié)議的方式開(kāi)發(fā)藍牙功能，綜合考慮成本、結構等因素，信息家電可以采用藍牙模塊加單片機的方式實(shí)現藍牙功能。將整個(gè)藍牙核心協(xié)議棧移植到單片機中顯然不合實(shí)際，可以采用這樣的開(kāi)發(fā)方案：在藍牙HCI層的基礎上，根據信息家電信息傳輸的實(shí)際需求，建立相關(guān)協(xié)議，利用單片機直接和藍牙硬件模塊交換HCI指令，實(shí)現信息交互。單片機采集信息家電的相關(guān)信息通過(guò)藍牙模塊發(fā)送出去，藍牙模塊也可以將接收到的命令用HCI指令傳遞給單片機執行。

2.5 溫度、濕度檢測和實(shí)時(shí)時(shí)鐘實(shí)現模塊

主要實(shí)現對室內環(huán)境的監控，便于控制系統采取適當的方式控制室內環(huán)境。其中溫度采用溫度傳感器實(shí)現，實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用S3C440BX自帶的RTC模塊實(shí)現。

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(gè)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(guò)程中，采用ADS作為編譯器，ADS由一套完備的應用程序構成，可用來(lái)編寫(xiě)和調試ARM系列的RISC處理器的應用程序，并可通過(guò)主機和實(shí)時(shí)分析工具讓使用者對應用程序進(jìn)行完整的分析，加速實(shí)時(shí)嵌入式系統的開(kāi)發(fā)和測試。

3.1 設置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據類(lèi)型的定義、開(kāi)關(guān)中斷代碼的宏定義、任務(wù)切換時(shí)執行代碼的定義和堆棧增長(cháng)方向的定義。在S3C44B0X中，所有的任務(wù)堆棧都是用OS_TSK聲明數據類(lèi)型，用OS_ENTER_CRITI-CAL()和OS_EXIT_CRITICAL()實(shí)現開(kāi)關(guān)中斷，用結構常量OS_STK_GROWTH來(lái)指定堆棧的生長(cháng)方式。

3.2 編寫(xiě)與操作系統相關(guān)的函數OS_CPU_C.C

μC／OS-Ⅱ定義了6個(gè)函數在該文件中，其中OSTa-skStklnit()是任務(wù)堆棧初始化函數，其他5個(gè)函數都是Hook函數，即OSTaskCreateHook()，OSTaskDelHook()，OSTaskSwHook( )，OSTaskStatHook( )，OsTimeTickHook()等接口函數，是系統預留給用戶(hù)添加功能的，只要聲明，可以不包含代碼，當用戶(hù)需要額外擴展功能時(shí)，在這5個(gè)函數中選擇加入就可。實(shí)際上需要修改的只有OSTaskStklnit()函數，該函數用來(lái)初始化任務(wù)堆棧，使得任務(wù)堆棧建立時(shí)與發(fā)生1次中斷后的堆棧結構相同。S3CA4B0X的堆棧結構如圖2所示。在修改OSTaskStklnit()函數時(shí)應依照該結構進(jìn)行。



3.3 編寫(xiě)與處理器相關(guān)的函數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(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)，包括以下4個(gè)子函數：

3.3.1 OSStanHighRdy()

運行優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)，此函數是在OS-Start()多任務(wù)啟動(dòng)后，負責從最高優(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(guò)SP依次將CPU現場(chǎng)恢復，這時(shí)，系統就將控制權交給用戶(hù)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。該函數僅在多任務(wù)啟動(dòng)時(shí)被執行一次，之后多任務(wù)的調度和切換由以下函數實(shí)現。

3.3.2 OSCtxsw()

可實(shí)現任務(wù)級的上下切換，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。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(guò)入棧來(lái)實(shí)現)，將當前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(shí)鐘中斷ISR中(中斷服務(wù)例程)如果發(fā)現有高優(yōu)先級等待的時(shí)鐘信號到來(lái)，則在中斷中退出后并不返回被中斷任務(wù)，而是直接調度高優(yōu)先級的任務(wù)執行，從而能夠盡快地讓高優(yōu)先級任務(wù)得到響應，保證系統的實(shí)時(shí)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(shí)已經(jīng)保存了被中斷任務(wù)的CPU現場(chǎng)，因此不再進(jìn)行類(lèi)似的操作，只需對堆棧指針做相應調整。

3.3.4 OSTicklSR()

OSTickISR()是一個(gè)周期性函數，為內核提供時(shí)鐘節拍中斷。頻率越高、系統負荷越大、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。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(hù)自己建立中斷來(lái)解決。該函數具體內容：保存寄存器，調用OSIntEnter()，調用OSTimeTick()，調用OSIntExit()，恢復寄存器，中斷返回。但注意不要在OSStaut()之前調用OSTickISR()。

完成以上3個(gè)程序的改寫(xiě)，μC／OS-Ⅱ就可以在S3C44BOX上正確運行。

4 結語(yǔ)

家居智能控制系統是家庭內外信息交換和家電控制的平臺。本文采用SAMSUNG公司的S3C44BOX芯片設計硬件和軟件，克服8位單片機處理速度慢、接口資源和存儲資源不足的限制。在實(shí)驗調試過(guò)程中，該系統運行狀況良好、工作穩定。證明其設計是實(shí)用、有效的。但智能家居嵌入式系統是一個(gè)比較大的系統，目前只是涉及到其中核心部分，其他部分還需繼續探討。

發(fā)布者：呂勇