摘 要： 介紹了智能終端的硬件和軟件實現(xiàn)，重點說明了μCOS-II在LPC2214" title="LPC2214">LPC2214上的移植以及TCP/IP協(xié)議棧的API函數(shù)Socket API的工作流程。
關(guān)鍵詞： 家庭智能終端 ARM μCOS-II嵌入實時操作系統(tǒng) 程序?qū)?Socket API函數(shù)
智能家居是指利用先進的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡通信技術(shù)、綜合布線技術(shù)，將與家居生活有關(guān)的名種子系統(tǒng)有機地結(jié)合，通過統(tǒng)籌管理，使家居生活更加舒適、安全、有效。作為小區(qū)智能化的重要組成部分，智能家居平臺是通過其核心——家庭智能終端實現(xiàn)家居智能化。智能家居終端可實現(xiàn)系統(tǒng)信息的采集、信息輸入、邏輯處理、信息輸出、聯(lián)動控制等功能。早期的家庭智能終端網(wǎng)絡是基于電話網(wǎng)實現(xiàn)遠程監(jiān)控和遠程控制。由于電話網(wǎng)絡的帶寬限制以及較高的使用成本，使得家庭智能終端無法推廣。隨著計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，基于IP技術(shù)的遠程通信已經(jīng)成為家庭智能終端開發(fā)的重點。目前，基于8位單片機和TCP/IP協(xié)議的遠程通信設備已大量出現(xiàn)。但是由于8位單片機工作頻率和存儲量的限制，使得操作系統(tǒng)和完整的IP協(xié)議無法移植，遠程監(jiān)控和遠程控制的實時性和大數(shù)據(jù)量可靠通信難以保證，從而成為家庭智能終端開發(fā)的瓶頸。利用成熟的ARM芯片和μCOS-II操作系統(tǒng)，可以有效地解決這一難題。
ARM(Advanced RISC Machines)是精簡指令集計算機，它集成了典型的RISC結(jié)構(gòu)特性。除此之外，ARM體系結(jié)構(gòu)還具有地址自動增加和自動減少的尋址模式、多寄存器加載和存儲指令等特性。
從最初開發(fā)至今，ARM已經(jīng)經(jīng)歷了5種主要的ARM指令集體系結(jié)構(gòu)，以版本號V1~V5表示。常見的ARM7、ARM9、ARM10、SecurCore系列芯片都是ARM V4以上的體系結(jié)構(gòu)。ARM7TDMI系列芯片是目前應用最廣泛的ARM芯片。其廣泛應用于多媒體和嵌入式設備，包括Internet設備、網(wǎng)絡和調(diào)制解調(diào)設備以及移動電話、PDA等無線設備。
PLC2214是Philips公司生產(chǎn)的一種高性價比的ARM7TDMI(-S)芯片，主要應用于Internet網(wǎng)關(guān)、串行協(xié)議轉(zhuǎn)換、訪問控制等領域。
1 家庭智能終端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與硬件組成
1.1 家庭智能終端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
家庭智能終端是家庭智能化的核心設備，是家庭內(nèi)部網(wǎng)絡與外部網(wǎng)的中轉(zhuǎn)站。它通過各種協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和組網(wǎng)方式實現(xiàn)各項功能。該文提出的家庭智能終端主要具有以下功能：安全防范、聯(lián)動控制、遠程控制和監(jiān)控、信息采集、家庭信息管理。外部網(wǎng)絡利用局域網(wǎng)與遠程終端(用戶終端、小區(qū)管理終端、收費終端等)進行信息傳送。此外考慮到因特網(wǎng)的不穩(wěn)定性，系統(tǒng)還預留了PSTN接口以增加系統(tǒng)冗余。采用RS-485總線和藍牙技術(shù)實現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡，將無線與有線相結(jié)合滿足更多設備的需要。家庭智能終端的網(wǎng)絡系統(tǒng)如圖1所示。
1.2 家庭智能終端的硬件實現(xiàn)
本文以LPC2214-S作為中心控制芯片。LPC2214-S是基于實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器，并帶有256KB的高速片內(nèi)Flash存儲器。片內(nèi)128位寬度的存儲器接口和加速器結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)高達60MHz的操作頻率。LPC2214還在片內(nèi)集成了16KB的SRAM，并且提供了豐富的接口資源，包括2個16C550工業(yè)標準UART異步串行口，1個高速I2C接口(400Kbps)，2個SPI接口及112個GPIO口。其片內(nèi)Boot裝載程序可實現(xiàn)在系統(tǒng)編程(ISP)和在應用編程(IAP)。此外芯片提供空閑和掉電兩種低功耗模式。
由此可以看出，LPC2214-S具有高性能、低功耗、接口資源豐富的特點。這些特點可以較好地滿足基于網(wǎng)絡的家庭智能終端的設計需要。
作為家庭自動化的控制中心，家庭智能終端除了具有局域網(wǎng)接口、PSTN接口、RS-485接口、藍牙接口外，還提供音頻視頻接口、HUB接口、RS-232接口、報警傳感器接口等。這些接口可以實現(xiàn)音視頻自動切換、多臺PC同時上網(wǎng)、與PC機結(jié)合完成家庭事物管理等功能。圖2為家庭智能終端主控模塊的硬件實現(xiàn)圖。
1.3 家庭智能終端工作原理
利用基于藍牙技術(shù)的遙控設備或基于RS-485總線的有線鍵盤，可以設置家庭智能終端的各項參數(shù)，打開或關(guān)閉485總線或具有藍牙模塊的電器設備，設置報警模塊的報警方式、撤布防等。此外遙控設備和鍵盤上還有緊急求助按鈕，可以通過電話和網(wǎng)絡向遠程管理中心發(fā)送報警信號。家庭智能終端還具有聯(lián)動控制模塊，當485總線或藍牙網(wǎng)絡上的一個設備發(fā)生某個特定的動作時，可以引發(fā)另外一些設備做設定的狀態(tài)變化，從而達到方便用戶和節(jié)省能耗的效果。以上介紹的是本地操作的工作原理。關(guān)于遠程控制和遠程監(jiān)控，本文提供了兩種方式：基于電話網(wǎng)絡和基于互聯(lián)網(wǎng)。由于基于電話網(wǎng)絡的遠程控制和遠程監(jiān)控已經(jīng)有了大量介紹，這里主要介紹互聯(lián)網(wǎng)方式的遠程控制和監(jiān)控。
家庭智能終端是通過Web技術(shù)提供遠程監(jiān)控和控制服務的。用戶在任意一臺連接到因特網(wǎng)的PC機上打開Windows IE，登錄小區(qū)服務器，輸入家庭智能終端的IP地址和相關(guān)密碼，便可以看到智能終端上的Web頁。在Web頁上可以查看家庭內(nèi)部網(wǎng)絡各種設備的狀態(tài)，并且可以改變某些設備的狀態(tài)。這里利用小區(qū)網(wǎng)關(guān)完成小區(qū)局域網(wǎng)與外網(wǎng)的連接，小區(qū)內(nèi)部局域網(wǎng)上的IP地址可以使用私有地址，從而節(jié)省費用。
2 家庭智能終端軟件設計
嵌入實時操作系統(tǒng)μCOS-II是一種占先式多任務操作系統(tǒng)，可固化、可裁減、移植性好，具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。它支持64個任務，具有信號量、消息郵箱、消息隊列等多種進程間通信機制，已經(jīng)在商業(yè)領域得到了成功的應用。由于μCOS-II操作系統(tǒng)本身并不帶TCP/IP協(xié)議棧，因此在操作系統(tǒng)上需要移植IP協(xié)議。本文采用μCOS-II+LWIP來實現(xiàn)家庭智能終端的網(wǎng)絡通信。
2.1 家庭智能終端軟件的總體規(guī)劃
家庭智能終端軟件部分包括遠程通信模塊、RS-485通信模塊、無線通信模塊、232通信模塊、報警檢測模塊、聯(lián)動控制模塊以及電話和語音控制模塊。根據(jù)以上劃分，在μCOS-II操作系統(tǒng)中定義了遠程通信任務、485通信任務、232通信任務、報警檢測任務、聯(lián)動控制任務、電話語音控制任務以及藍牙通信任務。各任務的優(yōu)先級和堆棧空間分配如表1。
軟件設計采用模塊化設計，保證程序具有良好的可移植性和可重用性，各種軟件模塊分別屬于不同的程序?qū)印Ｈ鐖D3所示，筆者將軟件模塊分為三個程序集合，即軟件的程序?qū)印?nèi)層是μCOS-II內(nèi)核，承擔任務管理、內(nèi)存管理和時間管理功能。應用程序?qū)又饕瓿蓴?shù)據(jù)處理和請求內(nèi)核服務的功能。中間件層移植和編寫各部分通信協(xié)議和底層接口芯片的驅(qū)動程序。圖3中最外圍層為硬件接口層，它不是實際的軟件層，并不做軟件編寫工作。智能終端的軟件部分非常復雜，由于篇幅所限，本文重點介紹操作系統(tǒng)的移植和遠程監(jiān)控及控制。
2.2 μCOS-II操作系統(tǒng)在LPC2214上的移植
將μCOS-II操作系統(tǒng)移植到PLC2214上需要OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM三個文件。OS_CPU.H主要定義不依賴于編譯的數(shù)據(jù)類型、指定堆棧的生長方式以及定義底層接口。
為了具有良好的可移植性，μCOS-II并不使用C語言中的short、int、long等數(shù)據(jù)類型，而是以整數(shù)數(shù)據(jù)類型代替。PLC2214有四種堆棧形式：滿遞減、滿遞增、空遞減、空遞增，但是ADS1.2編譯器只支持滿遞減堆棧，即選擇由上向下增長方式。
定義底層接口是為了在C語言中調(diào)用匯編代碼高效地完成某些系統(tǒng)服務功能。本文采用軟中斷指令實現(xiàn)底層接口。底層接口代碼如下：
#define OS_CRITICAL_METHOD 2
/*選擇開、關(guān)中斷的方式*/
__swi(0x00) void OS_TASK_SW(void)；
/*任務級任務切換函數(shù)*/
__swi(0x01) void _OSStartHighRdy(void)；
/*運行優(yōu)先級最高的任務*/
__swi(0x02) void OS_ENTER_CRITICAL(void)；
/*關(guān)中斷*/
__swi(0x03) void OS_EXIT_CRITICAL(void)；
/*開中斷*/
__swi(0x40) void*GetOSFunctionAddr(int Index)；
/*獲取系統(tǒng)服務函數(shù)入口*/
__swi(0x41) void *GetUsrFunctionAddr(int Index)；
/*獲取自定義服務函數(shù)入口*/
__swi(0x42) void OSISRBegin(void)；
/*中斷開始處理*/
__swi(0x43) int OSISRNeedSwap(void)；
/*判斷中斷是否需要切換*/
__swi(0x80) void ChangeToSYSMode(void)；
/*任務切換到系統(tǒng)模式*/
__swi(0x81) void ChangeToUSRMode(void)；
/*任務切換到用戶模式*/
__swi(0x82) void TaskIsARM(INT8U prio)；
/*任務代碼是ARM代碼*/
__swi(0x83) void TaskIsTHUMB(INT8U prio)；
/*任務代碼是THUMB*/
OS_CPU_C.C文件首先根據(jù)PLC2214體系結(jié)構(gòu)和ADS1.2編譯器定義任務的堆棧結(jié)構(gòu)。在定義堆棧結(jié)構(gòu)的函數(shù)：OS_STK OSTaskStkInit(void(*task)void(*pd)，void*pdata，OS_STK**ptos，INT16U opt)中定義了一個全局變量OsEnterSum，主要用于對關(guān)中斷次數(shù)進行計數(shù)，這樣可以實現(xiàn)開中斷和關(guān)中斷的嵌套。此文件也包括實現(xiàn)軟中斷的詳細代碼。
void SWI_Exception(int SWI_Num，int*Regs)
{
OS_TCB *ptcb；
switch(SWI_Num)
{
case 0x02：/*關(guān)中斷函數(shù)OS_ENTER_CRITICAL()*/
__asm
{
MRS R0，SPSR
ORR R0，R0，#NoInt
MSR SPSR_c，R0
}
OsEnterSum++；
break；
case 0x03：/*開中斷函數(shù)OS_EXIT_CRITICAL()*/
if (--OsEnterSum == 0)
{
__asm
{
MRS R0，SPSR
BIC R0，R0，#NoInt
MSR SPSR_c，R0
}
}
break；
……
}
此外，本文件還包括運行多任務時系統(tǒng)啟動前調(diào)用最高優(yōu)先級任務的函數(shù)void OSStartHighRdy(void)以及幾個供用戶編寫的Hook函數(shù)。
OS_CPU_A.ASM包括四個簡單的匯編語言函數(shù)：調(diào)用啟動前最高優(yōu)先級任務函數(shù)OSStartHighRdy( )，從低優(yōu)先級任務切換到高優(yōu)先級任務的函數(shù)OSCtxSw( )、OSIntCtxSw( )，時鐘節(jié)拍中斷處理函數(shù)OSTickISR( )。任務切換函數(shù)在任務切換之前要利用堆棧保存被切換任務的有用狀態(tài)。LPC2214具有17個寄存器，但并不是所有的寄存器都需要進入堆棧。為了節(jié)省堆棧空間和減少切換時的時間開銷，建立了一個任務切換時的堆棧結(jié)構(gòu)，如圖4所示。
2.3 遠程監(jiān)控和遠程控制
遠程監(jiān)控與遠程控制的軟件設計采用客戶端-服務器方式。TCP/IP協(xié)議的傳輸層有兩個數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議：傳輸控制協(xié)議TCP和用戶數(shù)據(jù)報傳輸協(xié)議UDP，二者各有特點。UDP協(xié)議是提供最少服務和費用的協(xié)議，它不基于連接來傳輸數(shù)據(jù)，因此UDP的傳送數(shù)據(jù)是不可靠的。TCP協(xié)議是基于連接的雙向傳輸?shù)目煽繑?shù)據(jù)傳輸協(xié)議，但是TCP協(xié)議的使用費用較高。在智能終端的設計中，充分考慮了數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋憷院涂煽啃裕⑶诣b于ARM系統(tǒng)能夠提供足夠的資源，根據(jù)數(shù)據(jù)的不同要求，采用了不同的傳輸層協(xié)議。在軟件設計中使用Socket API函數(shù)來編寫UDP和TCP通信任務。TCP和UDP通信時，Socket API的應用流程如圖5所示。
家庭智能終端是家庭內(nèi)外信息交換和家電控制的平臺。本文采用Philipes公司的ARM7芯片LPC2214設計了硬件和軟件，克服了8位單片機處理速度慢、接口資源和存儲資源不足的限制。利用RS-485和藍牙網(wǎng)絡作為家庭內(nèi)部網(wǎng)絡，局域網(wǎng)和電話網(wǎng)絡作為外部網(wǎng)絡，保證了大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，并且兼顧了傳統(tǒng)的電話網(wǎng)絡遠程控制方式。實踐表明，系統(tǒng)具有良好的實時性和穩(wěn)定性，在高端家庭智能終端領域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?br />
參考文獻
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