uCOS-II在車(chē)載GPS移動(dòng)終端中的應(yīng)用

一、             統(tǒng)概述

目前市場(chǎng)上的商用嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品，如Vxwork、PSOS和Windows CE等已經(jīng)十分成熟，提供有力的開(kāi)發(fā)和調(diào)試工具，但開(kāi)發(fā)成本昂貴，而uCOS-II是一種多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，內(nèi)核源代碼公開(kāi)，短小精干，移植性較強(qiáng)，非常適用于一些小型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。本系統(tǒng)描述了如何將uCOS-II移植應(yīng)用到MCS51系列單片機(jī)上，并論述了如何把它實(shí)際應(yīng)用到“嵌入式設(shè)備—車(chē)載GPS”系統(tǒng)中。

1、  uCOS-II簡(jiǎn)介

實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)uCOS-II是基于優(yōu)先級(jí)的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，包含了實(shí)時(shí)內(nèi)核、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信同步（信號(hào)量，郵箱，消息隊(duì)列）和內(nèi)存管理等功能。絕大部分代碼用C語(yǔ)言寫(xiě)成，與硬件相關(guān)部分用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，而且它的源代碼是公開(kāi)免費(fèi)的。

uCOS-II是面向中小型嵌入式系統(tǒng)的，包含全部功能模塊的內(nèi)核大約為10K，如果經(jīng)過(guò)裁減只保留核心代碼，則可壓縮到3K左右。RAM的占用量與系統(tǒng)中的任務(wù)數(shù)有關(guān)，任務(wù)的堆棧要占用大量的RAM空間，堆棧的大小取決于任務(wù)的局部變量、緩沖區(qū)大小及可能的中斷嵌套層數(shù)。應(yīng)用程序的時(shí)間精度由系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍決定，uCOS-II需要用戶提供周期性的時(shí)鐘信號(hào)源，用于實(shí)現(xiàn)時(shí)間延時(shí)和確認(rèn)超時(shí)，一般時(shí)鐘節(jié)拍應(yīng)在10到100HZ之間（最大精度為10ms），因?yàn)閡COS-II在每一個(gè)節(jié)拍都要檢查有沒(méi)有更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)在等待執(zhí)行，若有，就要進(jìn)行任務(wù)切換，所以時(shí)鐘節(jié)拍率越高，系統(tǒng)的額外負(fù)荷就越重。

2、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

本車(chē)載移動(dòng)終端主要完成以下這些控制功能：

（1）位置及相關(guān)信息傳送，包括實(shí)時(shí)請(qǐng)求發(fā)送、等時(shí)間間隔發(fā)送、等距離發(fā)送，傳送方式包括GPRS方式和短信方式，由于用GPRS方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊按流量記費(fèi)，每1K字節(jié)2-3分錢(qián)，費(fèi)用相對(duì)短信低很多，因此本系統(tǒng)采用GPRS為主，短信為輔的通訊方式。

（2）報(bào)警功能，分以下幾部分：

A、特定區(qū)域報(bào)警功能：設(shè)定報(bào)警特定區(qū)域后（如控制中心規(guī)定的行駛?cè)蝿?wù)區(qū)域），當(dāng)車(chē)輛駛出設(shè)定區(qū)域時(shí)，監(jiān)控中心向車(chē)載單元報(bào)警，并及時(shí)記錄車(chē)輛的實(shí)時(shí)位置信息。

B、緊急報(bào)警功能：當(dāng)車(chē)輛遇到搶劫、交通事故等緊急情況時(shí)，司機(jī)可以通過(guò)緊急求救按鈕向控制中心發(fā)出求救信號(hào)，并上傳車(chē)輛定位數(shù)據(jù)。

C、防盜報(bào)警功能：當(dāng)車(chē)輛設(shè)為防盜狀態(tài)時(shí)，任何對(duì)車(chē)輛的非法移動(dòng)，車(chē)載單元會(huì)自動(dòng)報(bào)警并上傳車(chē)輛定位數(shù)據(jù)。

D、掉電報(bào)警功能：當(dāng)車(chē)載單元主電源掉電（或被人為切斷）時(shí)，車(chē)載單元會(huì)自動(dòng)報(bào)警并上傳車(chē)輛定位數(shù)據(jù)。

E、能自動(dòng)報(bào)警與手動(dòng)報(bào)警相結(jié)合：系統(tǒng)支持手動(dòng)的單鍵報(bào)警和智能設(shè)備產(chǎn)生的自動(dòng)報(bào)警功能。單鍵人工報(bào)警需要司機(jī)進(jìn)行快速隱蔽的單鍵操作快速報(bào)警。自動(dòng)報(bào)警如智能非法移動(dòng)報(bào)警，系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生報(bào)警信息并發(fā)送到監(jiān)控中心，并保存報(bào)警數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心的人員可以根據(jù)需要采取措施。

（3）電源監(jiān)控功能，實(shí)時(shí)監(jiān)控備用電源，如果發(fā)現(xiàn)電量不夠，將自動(dòng)切換到充電模式，直到電量充足后自動(dòng)切斷充電模式。

3、  系統(tǒng)的功能塊

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，有外向內(nèi)可分三層：硬件電路層、任務(wù)層、操作系統(tǒng)層。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

二、硬件電路層設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的移動(dòng)終端主要包括以下四個(gè)部分組成：GPS模塊、GPRS模塊、手柄、單片機(jī)控制模塊，其大致功能分述如下：

（1）       GPS模塊——用于衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的采集，采集時(shí)間間隔可設(shè)定，最小間隔為1秒采集一次。

（2）       GPRS通信模塊——用于實(shí)現(xiàn)GPRS數(shù)據(jù)的收發(fā)、短信息收發(fā)和語(yǔ)音通話功能。

（3）       手柄——用于語(yǔ)音通話。

（4）       單片機(jī)控制模塊——用于控制GPS、GPRS模塊的數(shù)據(jù)接收、發(fā)送、語(yǔ)音通話控制、短信息收發(fā)、電源監(jiān)測(cè)管理和對(duì)汽車(chē)進(jìn)行控油控電等功能。

三、任務(wù)層的設(shè)計(jì)

1、系統(tǒng)任務(wù)層組成及其優(yōu)先權(quán)設(shè)置

系統(tǒng)任務(wù)層并行存在以下六個(gè)任務(wù)：監(jiān)視任務(wù)、按鍵處理任務(wù)、摘掛機(jī)任務(wù)、GPRS任務(wù)、短消息任務(wù)、串口接收任務(wù)。每個(gè)任務(wù)均有以下三部分組成：應(yīng)用程序、任務(wù)堆棧以及任務(wù)控制塊。其中只有應(yīng)用程序被燒入ROM,而任務(wù)本身則被置于RAM，待系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)再建立。任務(wù)堆棧用以存儲(chǔ)CPU寄存器內(nèi)容。當(dāng)某任務(wù)由運(yùn)行態(tài)變?yōu)槠渌鼱顟B(tài)時(shí)，CPU寄存器內(nèi)容壓入相應(yīng)任務(wù)堆棧，反之則將相應(yīng)任務(wù)堆棧內(nèi)容置入CPU寄存器。作為系統(tǒng)中定義的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，任務(wù)控制塊的內(nèi)容包括任務(wù)堆棧的地址、任務(wù)當(dāng)前狀態(tài)、任務(wù)優(yōu)先權(quán)等。操作系統(tǒng)通過(guò)查詢?nèi)蝿?wù)控制塊內(nèi)容實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)的管理。

優(yōu)先權(quán)的設(shè)置由各任務(wù)的執(zhí)行順序以及對(duì)系統(tǒng)安全性影響的大小決定，其優(yōu)先權(quán)從高到低依次為：監(jiān)視任務(wù)、按鍵處理任務(wù)、摘掛機(jī)任務(wù)、GPRS任務(wù)、短消息任務(wù)、串口接收任務(wù)。本系統(tǒng)采用靜態(tài)優(yōu)先權(quán)設(shè)置，即運(yùn)行過(guò)程中任務(wù)優(yōu)先權(quán)不變。

2、  任務(wù)的狀態(tài)

本系統(tǒng)中各任務(wù)的狀態(tài)有4種：等待態(tài)、就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)以及中斷態(tài)。狀態(tài)的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2所示。當(dāng)一個(gè)任務(wù)占用CPU時(shí)該任務(wù)處于運(yùn)行態(tài)，其優(yōu)先權(quán)必較所有就緒態(tài)任務(wù)優(yōu)先權(quán)高。若系統(tǒng)運(yùn)行導(dǎo)致就緒態(tài)某一任務(wù)的優(yōu)先權(quán)高于運(yùn)行態(tài)任務(wù)優(yōu)先權(quán)，則調(diào)用調(diào)度函數(shù)，運(yùn)行態(tài)任務(wù)將喪失對(duì)CPU的占用權(quán)而轉(zhuǎn)為就緒態(tài)，優(yōu)先權(quán)最高的就緒態(tài)任務(wù)轉(zhuǎn)為運(yùn)行態(tài)。某一時(shí)刻只能有一個(gè)任務(wù)處于運(yùn)行態(tài)。任務(wù)在就緒態(tài)和運(yùn)行態(tài)間的轉(zhuǎn)化被稱為任務(wù)切換。當(dāng)運(yùn)行態(tài)的任務(wù)期待某一消息時(shí)（即任務(wù)和任務(wù)之間的數(shù)據(jù)傳遞），該任務(wù)將喪失對(duì)CPU的占用權(quán)而轉(zhuǎn)為等待態(tài)，等待時(shí)間可由系統(tǒng)設(shè)定。若等待時(shí)間內(nèi)該任務(wù)收到消息，任務(wù)將轉(zhuǎn)為就緒態(tài)，否則將被時(shí)間管理函數(shù)強(qiáng)行轉(zhuǎn)為就緒態(tài)。中斷發(fā)生時(shí)運(yùn)行態(tài)的任務(wù)將轉(zhuǎn)入中斷態(tài)，喪失對(duì)CPU的占用權(quán)。因中斷中可能有消息發(fā)送使等待態(tài)的任務(wù)轉(zhuǎn)入就緒態(tài)，故中斷返回后將首先運(yùn)行任務(wù)調(diào)度函數(shù)，決定任務(wù)狀態(tài)。

四、軟件層設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用μC/OS-II操作系統(tǒng)，將其移植到MCS51系列單片機(jī)上。系統(tǒng)采用的時(shí)鐘節(jié)拍為T(mén)ick=50次/秒(即0.02秒/次)，在main中創(chuàng)建所有任務(wù)和信號(hào)量、消息油箱、消息隊(duì)列等。

void main (void)

{
OSInit()；

//創(chuàng)建信號(hào)量、消息隊(duì)列；

HookSem = OSSemCreate(0); //喚醒摘掛機(jī)任務(wù)

GprsQ = OSQCreate(&GprsMsg[0],10);

SMsgQ = OSQCreate(&SMsg[0],5);

//創(chuàng)建內(nèi)存區(qū)域；

Mem20 = OSMemCreate(Part1,20,50,&err);

Mem50 = OSMemCreate(Part2,100,10,&err);

//任務(wù)創(chuàng)建；

OSTaskCreate(WatchDogTask,(void*)0,&WatchDogStk[0],2)； //監(jiān)視任務(wù)

OSTaskCreate((void*) KeyTask,(void*)0,&KeyTaskStk[0],3)； //按鍵處理任務(wù)

OSTaskCreate((void*)WriteTask,(void*)0,&WriteStk[0],4)； //摘掛機(jī)任務(wù)

OSTaskCreate((void*)GPRSTask,(void*)0,&GPRSStk[0],5)； //GPRS任務(wù)

OSTaskCreate((void*)SMsgTask,(void*)0,&SMsgStk[0],6)； //短信息任務(wù)

OSTaskCreate(ReadTask, (void *)0, &ReadStk[0],7)； //讀串口任務(wù)

OSStart()；

}

1、監(jiān)視任務(wù)

因本系統(tǒng)工作于干擾強(qiáng)烈的汽車(chē)環(huán)境中，雖已采取多種硬件抗干擾措施如加屏蔽罩、可靠接地、設(shè)置軟件陷阱等，仍有可能因瞬間擾動(dòng)使系統(tǒng)陷入混亂，導(dǎo)致系統(tǒng)跑飛而只能依靠看門(mén)狗復(fù)位重新運(yùn)行，以致無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。為此，本系統(tǒng)采用監(jiān)視任務(wù)監(jiān)督其它任務(wù)是否正常運(yùn)行，若某一任務(wù)未能正常運(yùn)行則采取相應(yīng)措施以盡量減少看門(mén)狗復(fù)位次數(shù)。

監(jiān)視任務(wù)設(shè)計(jì)思路為：被監(jiān)視任務(wù)正常運(yùn)行時(shí)其執(zhí)行時(shí)間是可預(yù)估的，被監(jiān)視任務(wù)在其即將運(yùn)行完畢時(shí)向監(jiān)視任務(wù)發(fā)送消息說(shuō)明自身運(yùn)行正常。被監(jiān)視任務(wù)運(yùn)行時(shí)，監(jiān)視任務(wù)處于等待態(tài)，等待被監(jiān)視任務(wù)給它發(fā)送消息，等待時(shí)間被設(shè)定為預(yù)計(jì)的任務(wù)正常運(yùn)行所需的最大時(shí)間。若等待時(shí)間內(nèi)監(jiān)視任務(wù)收到消息，則認(rèn)為發(fā)送消息的任務(wù)運(yùn)行正常，依照各任務(wù)執(zhí)行順序的先后下一任務(wù)開(kāi)始運(yùn)行，監(jiān)視任務(wù)等待下一任務(wù)發(fā)送的消息。若等待時(shí)間已過(guò)，監(jiān)視任務(wù)仍未收到消息，則系統(tǒng)的時(shí)間管理函數(shù)將強(qiáng)行把監(jiān)視任務(wù)視為就緒態(tài)。因監(jiān)視任務(wù)的優(yōu)先權(quán)是最高的，它將搶占對(duì)CPU的控制權(quán)并采取相應(yīng)的糾錯(cuò)方案。

2、  按鍵處理任務(wù)

按鍵處理任務(wù)主要對(duì)防盜報(bào)警、搶車(chē)報(bào)警、打接電話按鈕進(jìn)行處理，當(dāng)任務(wù)循環(huán)檢測(cè)到按鍵按下時(shí)，按鍵處理任務(wù)發(fā)送相應(yīng)的信號(hào)量到處理相應(yīng)按鍵的程序中。

3、  摘掛機(jī)任務(wù)

當(dāng)拿起聽(tīng)筒或放下聽(tīng)筒時(shí)，就產(chǎn)生中斷。在中斷中，調(diào)用OSSemPost(HookSem)來(lái)喚醒摘/掛機(jī)任務(wù)，同時(shí)清除中斷標(biāo)志。摘掛機(jī)任務(wù)調(diào)用OSSemPend(HookSem,0,&err)來(lái)獲得信號(hào)量。獲得信號(hào)量后，根椐摘掛機(jī)狀態(tài)標(biāo)志來(lái)判斷是摘機(jī)還是掛機(jī)。在掛機(jī)的時(shí)候，如果先前是在響鈴的時(shí)候摘機(jī)的，那么摘掛機(jī)任務(wù)把它當(dāng)做已接來(lái)電處理；如果不是在響鈴的時(shí)候摘機(jī)的，那么在掛機(jī)的時(shí)候摘掛機(jī)任務(wù)就把它當(dāng)做已撥電話處理。

4、  GPRS任務(wù)

當(dāng)讀串口任務(wù)接收到GPRS數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)用OSQPost(GprsQ,(void *)&Gprs_Buf[0])函數(shù)向來(lái)喚醒GPRS任務(wù)，GPRS任務(wù)不斷調(diào)用gprs_msg =OSQPend(GprsQ,50,&err)來(lái)獲得從讀串口任務(wù)中發(fā)來(lái)的GPRS數(shù)據(jù)，根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)決定是否向控制中心發(fā)送定位數(shù)據(jù)及相關(guān)信息。

5、  短消息處理任務(wù)

在GPRS網(wǎng)絡(luò)不可用的情況下，系統(tǒng)啟動(dòng)短消息任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信，當(dāng)讀串口任務(wù)接收到短消息時(shí)，調(diào)用OSQPost(SMsgQ,(void *)&SMsg_Buf[0])向短信息任務(wù)發(fā)送消息，短信息任務(wù)不斷調(diào)用sm_msg =OSQPend(SMsgQ,100,&err)來(lái)獲得短消息，然后進(jìn)行相應(yīng)的短信收發(fā)處理。

6、  讀串口任務(wù)

在讀串口任務(wù)中，從接收緩沖區(qū)中讀取來(lái)自GPRS通訊模塊和GPS模塊發(fā)送的字符串，同時(shí)分析接收的字符串坐相應(yīng)的處理以及向GPRS任務(wù)和短消息任務(wù)發(fā)送消息。

結(jié)語(yǔ)

本文描述了在MCS51的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)uC/OS-II，并針對(duì)傳統(tǒng)的單片機(jī)程序設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性不佳的問(wèn)題，提出了基于uC/OS-II的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案。但是，使用實(shí)時(shí)內(nèi)核來(lái)管理這些任務(wù)，會(huì)增加系統(tǒng)的內(nèi)存容量和CPU時(shí)間的消耗，而且任務(wù)調(diào)度的優(yōu)勢(shì)不能很好地顯示出來(lái)，因此，該設(shè)計(jì)有一定局限性。但是，在系統(tǒng)的內(nèi)存足夠大、CPU運(yùn)行速度足夠快的情況下，使用實(shí)時(shí)內(nèi)核uC/OS-II設(shè)計(jì)，可以提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，有利于系統(tǒng)的后繼開(kāi)發(fā)，本系統(tǒng)選用CPU為W78E516，外擴(kuò)32K RAM,晶振頻率為22.1184M，能很好的滿足系統(tǒng)的要求。