祁莉娜，徐良平，邵文軍

(1.武漢郵電科學研究院，湖北 武漢 430074;2.武漢虹信通信技術(shù)有限責任公司，湖北 武漢 430074;3.華中科技大學，湖北 武漢 430074)

嵌入式系統(tǒng)中通常采用串口實現(xiàn)微控制器與外部設(shè)備之間的通信，但在一些應用場合往往有多個外部設(shè)備與微控制器通過串口通信，而一般的嵌入式微控制器只有一到兩個串口，不能滿足要求，這就需要對串口進行擴展［1－2］。比如車載無線視頻服務器中的主芯片DM365微控制器自帶兩個串口，但是它需要通過串口控制云臺，同時接收來自GPS模塊的數(shù)據(jù)、紅外遙控器的控制命令以及網(wǎng)絡(luò)鍵盤的云臺控制命令等。

本文設(shè)計一種應用于車載無線視頻服務器的串口擴展嵌入式系統(tǒng)，它采用實時操作系統(tǒng)μC/OS－Ⅱ，串口擴展芯片是 TI公司的基于 Cortex－M3內(nèi)核的微控制器LM3S1538，通過LM3S1538來擴展車載無線視頻服務器的主芯片DM365的串口。

1 Cortex－M3 介紹

Cortex－M3是一種ARMv7架構(gòu)32位處理器內(nèi)核，擁有比普通單片機更高的性能和更豐富的功能、比一般的ARM32系統(tǒng)更低的功耗和成本［3］。它采用了哈佛結(jié)構(gòu)，擁有獨立的指令總線和數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)訪問不會占用指令總線，這樣一來就可以同時進行取指和數(shù)據(jù)訪問，處理器能夠并行執(zhí)行多個操作，大大提高了程序的執(zhí)行效率。Cortex－M3內(nèi)核流水線是一種分支預測的流水線，這種設(shè)計提高了指令執(zhí)行的速度。此外，Cortex－M3內(nèi)核中嵌入了Thumb－2指令集，避免了早期的處理器中由于16位Thumb狀態(tài)與ARM狀態(tài)的相互切換導致的性能下降，在保留代碼的緊湊性的同時提高了系統(tǒng)的性能。Cortex－M3的另一優(yōu)點是它有一個嵌套向量中斷控制器 (Nested Vectored Interrupt Controller，NVIC)，采用末尾連鎖技術(shù)，提供準確快速的中斷處理。最后值得一提的是Cortex－M3多種多樣的調(diào)試組建支持方便的調(diào)試功能。

2 μC/OS－Ⅱ介紹

μC/OS－Ⅱ是在μCOS基礎(chǔ)上經(jīng)過10年的修改和發(fā)展而來的，相比μC/OS，μC/OS－Ⅱ提出了更多的功能。μC/OS－Ⅱ是一種開放源碼、可裁剪的基于優(yōu)先級可剝奪實時內(nèi)核，它有很強的可移植性，目前已被移植到40余種不同體系架構(gòu)的處理器上。μC/OS－Ⅱ起初就是為微控制器系統(tǒng)設(shè)計的，它的結(jié)構(gòu)小巧，僅包含了基本的任務調(diào)度與管理、內(nèi)存管理以及任務間的通信與同步機制，又由于是可裁剪的，在應用系統(tǒng)中核心部分的代碼最少只有2.7 kbyte，因此，μC/OS－Ⅱ?qū)τ谝恍┬⌒偷那度胧较到y(tǒng)來說十分合適。

木犀草素·4，4′-聯(lián)吡啶藥物共晶對小鼠巨噬細胞RAW264.7的抗炎作用研究 ……………………………… 劉立新等（5）：602

創(chuàng)建串口通信消息隊列，實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)接收線程和GPS數(shù)據(jù)處理線程、紅外數(shù)據(jù)處理線程、網(wǎng)絡(luò)鍵盤數(shù)據(jù)處理線程的通信。串口數(shù)據(jù)接收線程接收到來自串口的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)幀頭判斷數(shù)據(jù)類型，調(diào)用消息發(fā)送函數(shù)MsgQueueSend()，此函數(shù)將數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)類型一起作為消息體發(fā)送給消息隊列。GPS數(shù)據(jù)處理線程循環(huán)調(diào)用GPSMsgRecieve()函數(shù)從消息隊列讀取消息，若消息隊列不為空，并且隊首節(jié)點是GPS數(shù)據(jù)，則讀取數(shù)據(jù)，隊首計數(shù)器加1，若不是GPS數(shù)據(jù)則跳出本次循環(huán)。同樣，紅外數(shù)據(jù)處理線程調(diào)用IRMsgRecieve()函數(shù)接收紅外數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)鍵盤數(shù)據(jù)處理線程調(diào)用NKBMsgRecieve()函數(shù)接收網(wǎng)絡(luò)鍵盤數(shù)據(jù)。

3 硬件設(shè)計

4.2.1 μC/OS－Ⅱ操作系統(tǒng)在LM3S1538上的移植

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

4 軟件設(shè)計

陳律師說：“沒關(guān)系，你盡管問。我覺得她完全沒有機會知道這件事，關(guān)于這一點我已經(jīng)反復回憶過。我不可能告訴她；我們談論這件事的時候有意打發(fā)她出去買東西了，她不在家；我打好文件去找羅素青簽字的時候也故意回避了她，當時我們沒有交談，我把簽好字的文件直接放進了包里?！?/p>

圖2 數(shù)據(jù)幀8結(jié)構(gòu)

4.1 上位機軟件設(shè)計

在顏值這件事上，上帝給了每個人一個區(qū)間。楊紫向上，變美，掙扎著將自己從容貌的困境中拽出來，努力地走到區(qū)間的最大值，要的是一個自信昂揚的自己，以及越來越寬敞的演藝之路。

DM365上的操作系統(tǒng)是Linux嵌入式實時操作系統(tǒng)，利用Linux線程間通信的同步和互斥機制模擬消息隊列。相應程序段為:

尖錐狀納米線的生長是軸向生長和徑向生長并存的過程，溫度對這兩種生長起到了重要的作用，當溫度較低時，軸向生長占主導地位，適當?shù)奶嵘L溫度可以改善納米線形貌質(zhì)量；而當溫度過高時，如A6樣品中納米線的直徑要明顯加粗，表明了徑向生長速度的加快，導致納米線形貌變差。從實驗結(jié)果中可以看出，生長溫度為750℃時得到的納米線表面形貌較好。

4.2 下位機軟件設(shè)計

LM3S1538有 3個串口:UART0，UART1和 UART2。LM3S1538與主芯片DM365通過UART0通信;與GPS模塊通過UART1通信;與紅外模塊通過配置成串口的GPIO通信。DM365的云臺控制信息通過UART2經(jīng)RS－485轉(zhuǎn)換電路發(fā)送給云臺，網(wǎng)絡(luò)鍵盤通過I2C轉(zhuǎn)串口芯片SC16IS752實現(xiàn)和LM3S1538的通信。其硬件框圖如圖1所示。

車載無線視頻服務器對主芯片DM365的串口UART1進行擴展，接收LM3S1538從設(shè)備上讀取的GPS數(shù)據(jù)、紅外數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)鍵盤數(shù)據(jù)，發(fā)送云臺控制數(shù)據(jù)到LM3S1538，LM3S1538經(jīng)串口將控制命令發(fā)送給RS－485轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)對云臺的操作。設(shè)計串口通信模塊軟件，完成數(shù)據(jù)的接收處理和發(fā)送。

μC/OS－Ⅱ在不同的處理器上的移植主要工作就是修改3 個文件:OS_CPU.H，OS_CPU_C.C，OS_CPU_A.ASM［4－5］。

OS_CPU.H文件中對和編譯器有關(guān)的數(shù)據(jù)類型進行重新定義，對和處理器相關(guān)的臨界代碼段訪問處理、任務切換以及處理器堆棧增長方向宏定義［6］。數(shù)據(jù)類型定義是通過查找編譯器手冊，找到μCOS－Ⅱ中對應的標準C數(shù)據(jù)類型進行重新定義。為了防止臨界代碼段被多任務或中斷服務例程破壞，μCOS－Ⅱ需要在訪問臨界代碼段之前先關(guān)閉中斷，訪問完后再打開中斷。臨界段處理方法的宏定義為:

定義DM365與LM3S1538之間進行串口通信的協(xié)議，上位機的數(shù)據(jù)按此協(xié)議組幀，幀結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過串口發(fā)送到下位機，并從串口接收來自下位機的數(shù)據(jù)幀，做數(shù)據(jù)幀解析。下位機完成類似的數(shù)據(jù)發(fā)送接收工作。系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括上位機軟件設(shè)計和下位機軟件設(shè)計兩部分，下位機軟件設(shè)計又包含了將μC/OS－Ⅱ操作系統(tǒng)在LM3S1538微控制器上的移植以及應用程序的設(shè)計。

臭氧具有非常強的氧化能力，對于工業(yè)廢水中的生物難降解物質(zhì)的處理具有處理效果好、降解速度快、占地面積小、無二次污染、自動化程度高等優(yōu)點，因此，臭氧氧化法及其聯(lián)合技術(shù)廣泛應用于工業(yè)廢水處理中[1]。

說是機遇，是因為整個行業(yè)高端化轉(zhuǎn)型的提速，推動了市場準入門檻的大幅提升，一些低端產(chǎn)品、山寨品牌被快速淘汰，而它們空出來的市場份額，則成為了有實力的龍頭企業(yè)新的市場增長空間。同時，急速變革的市場，也刺激消費需求的多元化、理性化，賦予了市場更大的增長潛力和想象空間，廚電企業(yè)擁有了更廣闊的發(fā)展平臺。長遠來看，步入調(diào)整期的廚電市場，為行業(yè)巨頭的誕生提供了更多的契機。

Cortex－M3核的MCU堆棧增長方向是從高向低，宏定義如下:

OS_TASK_SW()是系統(tǒng)從低優(yōu)先級任務切換到高優(yōu)先級任務時調(diào)用的，它是一個宏，定義如下:

對于處理器執(zhí)行開關(guān)中斷的操作做兩個宏定義:

OS_CPU_C.C文件中編寫10個C函數(shù)，其中9個函數(shù)不是必需的，因此只作聲明。唯一必需的函數(shù)是OSTaskStkInit()，它被 OSTaskCreate()和 OSTaskCreateExt()函數(shù)調(diào)用，在任務創(chuàng)建的時候完成任務堆棧結(jié)構(gòu)的初始化，將寄存器的值保存到堆棧，使堆?？雌饋砭拖駝偘l(fā)生過中斷一樣。

OS_CPU_A.ASM文件中需要編寫5個匯編函數(shù):OS_CPU_SR_Save()，OS_CPU_SR_Restore()，OSStartHighRdy()，OSCtxSw()，OSIntCtxSw()。其中 OS_CPU_SR_Save()，OS_CPU_SR_Restore()兩個函數(shù)是通過保存中斷狀態(tài)的方式禁止/打開中斷的。OSStartHighRdy()函數(shù)利用任務切換執(zhí)行一條中斷返回指令來開始第一個任務的調(diào)度，但是基于Cortex－M3核的處理器在執(zhí)行中斷返回指令時必須處于處理模式，而一般情況下系統(tǒng)處于線程模式，因此在OSStartHighRdy()中要進行模式轉(zhuǎn)換，進入處理模式。OSCtxSw()函數(shù)實現(xiàn)任務級的切換，而OSIntCtxSw()是從中斷服務例程中執(zhí)行切換。

4.2.2 應用程序設(shè)計

LM3S1538接收來自GPS模塊、紅外模塊、網(wǎng)絡(luò)鍵盤的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)組幀后通過串口UART0發(fā)送給DM365，同時LM3S1538檢測串口UART0來自DM365的云臺控制數(shù)據(jù)。在主任務中創(chuàng)建兩個任務，GPSTask和NKBTask，他們通過消息隊列和主任務通信。在主任務中為GPS任務創(chuàng)建一個郵箱，接收到GPS數(shù)據(jù)后在中斷服務程序中向郵箱發(fā)消息，GPS任務收到消息后從相應端口讀取GPS數(shù)據(jù)，組幀后發(fā)送給主任務的消息隊列;為NKB任務創(chuàng)建一個消息隊列，接收到網(wǎng)絡(luò)鍵盤數(shù)據(jù)的時候在中斷服務程序中向該消息隊列發(fā)送消息，網(wǎng)絡(luò)鍵盤線程收到消息后從相應端口讀取網(wǎng)絡(luò)鍵盤數(shù)據(jù)發(fā)送給主任務的消息隊列。在接收到紅外數(shù)據(jù)后直接在中斷服務程序中向主任務的消息隊列發(fā)送數(shù)據(jù)。主任務收到消息后通過UART0向DM365發(fā)送該幀數(shù)據(jù)。

在主程序中完成LM3S1538外圍電路的初始化、μC/OS－II的初始化以及創(chuàng)建主任務:

在DevInit()中包括對LM3S1538時鐘頻率設(shè)置、GPIO的初始化以及中斷使能和中斷的優(yōu)先級設(shè)置。

童話樹：“我不服，我要放出我的撒手锏了！當當當當！這可是我小時候不同時期的照片，你們可以看一看，能看得到我的正臉嗎？能看到算我輸。不知道為什么，我小時候一拍照就愛扮鬼臉，好好一小姑娘，不是扯嘴巴，就是動作幅度大，極度夸張，我感覺我小時候是個戲精，啊啊??！我應該去當個演員?！?/p>

1)主任務入口函數(shù)

2)子任務入口函數(shù)(以GPSTaskFn為例)如:

3)中斷服務子程序(以UART1為例)如:

1.3.1 樣品測試分析 土壤養(yǎng)分中有機質(zhì)(Organic Matter，OM)、全氮(Total Nitrogen，TN)、有效磷(Available Phosphorus，AP)、速效鉀(Rapidly Available Potassium，RAK)含量及pH分別采用油浴加熱重鉻酸鉀氧化容量法、凱氏蒸餾法、碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法、乙酸銨浸提-火焰光度計法和電位法(土液比=1∶2.5)測定。

5 實驗測試結(jié)果

基于Cortex－M3的串口擴展模塊和車載無線視頻服務器核心板之間可以成功進行串口通信，Cortex－M3能夠?qū)⒉杉降腉PS數(shù)據(jù)、紅外遙控數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)鍵盤數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給DM365，圖3是通過客戶端看到的疊加了GPS信息的視頻，圖中右下角是對云臺進行控制的按鈕，點擊每個按鈕則平臺下發(fā)相應命令到設(shè)備的DM365，DM365通過擴展串口發(fā)送數(shù)據(jù)到Cortex－M3，Cortex－M3控制相應芯片使云臺能夠完成轉(zhuǎn)動、變焦等動作。圖4所示是用紅外遙控器進行本地配置的界面，圖4中左上角的按鈕正被選中，此時按下遙控器的確認按鈕即可進行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。對云臺的操作，本地配置可同時進行，同時GPS數(shù)據(jù)也正常收發(fā)，彼此之間沒有影響。

6 結(jié)束語

本文采用TI基于Cortex－M3核的MCU LM3S1538擴展了DM365的串口，成功將μC/OS－Ⅱ移植到LM3S1538上，完成了軟硬件的設(shè)計，本設(shè)計能夠應用于車載無線視頻服務器，實現(xiàn)設(shè)備的紅外模塊、網(wǎng)絡(luò)鍵盤模塊、GPS模塊以及云臺通過擴展的串口與核心板進行通信。此設(shè)計的優(yōu)點是低成本、低功耗、硬件電路簡單，具有較好的使用價值。

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