基于μC／OS-II的智能窗系统设计

摘要 随着科学技术的发展和人们物质生活水平的不断提高，人们对家庭生活舒适性和安全性的需求越来越强烈。智能窗将被越来越多地应用到现代智能化建筑中，它将提供给住户一个安全、方便的环境。本文选用LM3S615微控制器芯片和实时操作系统μC／OS-II设计了嵌入式智能窗系统。
关键词 ARMμC／OS-II智能窗

1 系统硬件设计
    智能窗所要完成的功能如下：自动智能防盗并能短信通知户主，监控煤气泄漏，自动防风，自动防雨，智能遥控开关窗门。CPU的选择是嵌入式系统开发的关键所在。本文选用Luminary Micro(流明诺瑞)公司生产的Stellaris(群星)系列微控制器LM3S615，并以该芯片为核心搭建系统硬件平台。LM3S615是Luminary公司首款基于ARM Crotex—M3内核的微控制器，具有高性能的32位运算能力和低延迟的中断响应，在汽车电子和工控领域有出色的表现。系统架构如图1所示。

2 系统软件设计
2．1 μc／os—II的移植
    μC／OS—II是一种源码开放、移植性好、可裁减、抢占式的实时多任务操作系统内核。其中大部分代码是用ANSI C语言编写的，只有极少部分与处理器密切相关的代码需用汇编完成。基于μc／os—II嵌入式操作系统的软件体系结构如图2所示，它包括应用软件程序、与应用软件相关的代码、与处理器无关的代码以及与处理器相关的代码。所谓移植就是编写与处理器相关的代码，分别是头文件OS_CPU．H、汇编文件OS_CPU_A．ASM和C语言源文件OS_CPU_C．C。
    ①在OS_CPU．H中定义相关的宏，声明LM3S615能够识别的数据类型和堆栈增长方向。
    ②在OS_CPU_C. C中定义6个函数：OSTaskStklnit()、OSTaskCreateHook()、OSTaskSwHook()、OSTaskDelHook()、OSTaskStatHook()、OSTimeTickHook()。
    ③在0S_CPU_A．ASM中修改以下5个汇编函数：OS ENTER_CRITICAL()、0S_EXIT_CRITICAL()、OS_StartHighRdy、OSCtxSw、OSIntCtxSw。
    ④在主头文件INCLUDES．H中增加OS_CPU．H、OS_CPU_C．C和0S_CPU_A．ASM。
    ⑤在配置文件OS_CFG．H中定义最大事件数、最多内存分块数、最多消息队列数、最多任务数、最低任务优先级、是否允许信号量使能、是否允许邮箱使能、是否允许消息队列使能、时钟节拍数以及其他的一些配置。通过修改这些设置，可对μC／OS—II进行裁减，使之适应本系统的具体需要。
2．2 μC／OS—II下多任务机制的实现
    根据系统的功能模块，可将整个系统划分为几个并行存在的任务来运行，各个任务完成相对独立的功能。μC／OS—II是占先式操作系统，对任务的调度是按优先权的高低进行的，优先权的设置按照整个系统运行的时序来确定，对系统安全运行较重要和对实时性要求较严格的任务设成较高的优先级。各任务优先级由高到低依次为：煤气处理任务、盗情处理任务、下雨处理任务、大风处理任务、红外遥控任务、电机开窗任务、电机关窗任务、短信任务。在系统运行过程中，各任务的优先级固定不变。CPU对大多数事件的处理都放在任务中完成，而各个任务由对应的信号量激活。信号量可以由任务或外部中断来发送。

    (1)任务建立和资源分配
    μC／OS—II是一个实时多任务操作系统，所以把系统软件分割成多个任务，每个任务负责完成相应的处理工作，系统功能由多个任务协作完成。本系统的任务分配如表1所列。

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    (2)主要任务描述首先建立一个main()函数，在主函数中调用OS-Init()函数初始化μC／OS-II，然后建立第一个任务(起始任务)，最后调用OS-Start()函数启动多任务。在建立主函数之前必须定义各个任务的堆栈、系统的全局变量和相关宏。主函数的程序清单如下：

   
    起始任务是系统建立的第一个任务，主要有3个功能：完成对目标板的初始化(主要是定时器、外部中断和串行口的初始化)，建立系统所要用到的信号量，建立系统的其他任务。起始任务部分程序清单如下：

    在电机开窗任务中首先等待信号量sem_open。该信号量是由煤气处理任务、红外遥控处理任务发送的。如果电机开窗任务得到该信号量，程序就设置电机转动方向，并控制PWM送出电机转动脉冲，直到窗户被打开。
    电机关窗任务必须等到信号量sem_close有效时才会被激活。信号量sam_close由盗情处理任务、下雨处理任务、大风处理任务、红外遥控处理任务发送。
    短信任务则要得到盗情处理任务发出的信号量sam_dq时被激活。系统采用门磁传感器作为人室盗窃报警信号发生器。当窗户被打开时，门磁的开关状态发生变化，信号被发送到微处理器。微处理器检测到信号输入、控制GPRS模块发送中文报警信息给户主手机，户主可根据短信及时报警，避免造成更大的损失。

3 小 结
    完成了基于32位ARM微处理器LM3S615和嵌入式实时操作系统μc／os—II的嵌入式智能窗的设计开发，并为嵌入式系统开发提供了一种解决方案。μc／os—II作为一个优秀的RTOS已经被成功移植到多种体系结构的微处理器上。将其移植到ARM平台上能够更深刻地理解RTOS的构造，加快应用和开发。把μC／OS—II引入到智能窗控制系统的软件设计中，使软件的开发更具层次性，开发效率更高，系统的稳定性、可靠性、实时性更强，也更容易扩展。