LPC2365的μC／OS-II 下多串口通信編程

摘要：介紹了以LPC2365為核心處理器、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-II下的多串口通信編程方法。對(duì)于固定長(zhǎng)度的短字節(jié)幀數(shù)據(jù)，通過設(shè)置合適的字節(jié)觸發(fā)深度，一次中斷完成數(shù)據(jù)接收任務(wù)；對(duì)于變長(zhǎng)的長(zhǎng)字節(jié)幀數(shù)據(jù)，則通過多次中斷和等待延時(shí)的方法判斷數(shù)據(jù)穩(wěn)定并完成幀數(shù)據(jù)的接收；對(duì)于大量數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送采用建立FIFO數(shù)據(jù)隊(duì)列的方法。
通過這些措施較好地完成了多串口較大數(shù)據(jù)量的通信任務(wù)。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；互斥信號(hào)量；數(shù)據(jù)隊(duì)列

引言
    國(guó)產(chǎn)某掠海恒高硬體拖靶在拖曳飛行時(shí)，需要將自身的各種參數(shù)通過無線鏈路實(shí)時(shí)上傳至拖曳母機(jī)，同時(shí)實(shí)時(shí)接收拖曳母機(jī)的遙控指令完成相應(yīng)的動(dòng)作。拖靶自身的參數(shù)包括：開關(guān)高控狀態(tài)、蓄電池電壓、無線電高度表值、飛行高度裝定值、垂向加速度值、舵翼角、溫度值、普通性能GPS接收機(jī)輸出的主要參數(shù)值、高性能測(cè)量GPS接收機(jī)輸出的主要參數(shù)值等。其中，前面7項(xiàng)由一塊采集板完成采集并裝配成幀數(shù)據(jù)，通過RS232串口以9 600 bps的波特率、1 Hz的速率輸出。
    數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度固定為12字節(jié)，同時(shí)接收6字節(jié)／幀的遙控指令數(shù)據(jù)。普通性能GPS接收機(jī)以9 600 bps的波特率、1 Hz的速率輸出$GPGGA和$GPRMC兩條語句，其字節(jié)數(shù)可變，但最多不超過1 60字節(jié)；高性能GPS則以57 600 bps的波特率、20 Hz的速率輸出RT、RD、TO、SI、RC、CP、DC、FC、PV 9個(gè)參數(shù)，這些總的參數(shù)數(shù)據(jù)量隨所觀測(cè)到的衛(wèi)星數(shù)目而變化，但最多不超過305字節(jié)。
    現(xiàn)在需要將采集板和普通性能GPS接收機(jī)的數(shù)據(jù)組成每幀75字節(jié)數(shù)據(jù)(如果收到遙控指令時(shí)，則需要一次返回3幀同樣數(shù)據(jù))、以每秒一幀的速率上傳至拖曳母機(jī)以供實(shí)時(shí)顯示。將高性能測(cè)量GPS接收機(jī)輸出的數(shù)據(jù)直接上傳至拖曳母機(jī)存儲(chǔ)以供事后處理。由此可見這是一個(gè)典型的多串口較大數(shù)據(jù)量的通信應(yīng)用問題。

1 工作原理
    利用具有多個(gè)串口資源的ARM7處理器LPC2365芯片分別實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)采集板和普通性能GPS接收機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并按要求進(jìn)行組幀后，通過互斥型信號(hào)量存入FIFO類型的發(fā)送數(shù)據(jù)隊(duì)列中；將接收到的高性能GPS接收機(jī)數(shù)據(jù)也存入同一發(fā)送數(shù)據(jù)隊(duì)列中；當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)隊(duì)列不為空時(shí)，通過一個(gè)二值信號(hào)量啟動(dòng)串口發(fā)送任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，直到一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢為止。發(fā)送數(shù)據(jù)流向示意圖如圖1所示。

    應(yīng)用程序是基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-II編寫完成的，針對(duì)不同的功能創(chuàng)建不同的任務(wù)，包括串口接收任務(wù)、串口發(fā)送任務(wù)、組幀任務(wù)等。

2 硬件設(shè)計(jì)
    主控CPU選用NXP公司生產(chǎn)的ARM7處理器LPC2365，該芯片擁有256 KB的Flash存儲(chǔ)器、32 KB的SRAM、4個(gè)全雙工UART串口以及多達(dá)70個(gè)通用I／O端口，硬件資源非常豐富。4個(gè)全雙丁串口可分別與數(shù)據(jù)采集板、普通性能GPS接收機(jī)、高性能GPS接收機(jī)以及數(shù)傳模塊進(jìn)行通信；256 KB的Flash存儲(chǔ)器和32 KB的SRAM可以存儲(chǔ)和運(yùn)行嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-II下的應(yīng)用程序。
    由于高性能GPS接收機(jī)以57 600 bps的波特率、20Hz的速率和305字節(jié)／幀的數(shù)據(jù)量輸出數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)量占空比高達(dá)85％，考慮到還需要下傳其他參數(shù)信息，因此應(yīng)選用波特率更高的數(shù)傳模塊完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。

    美國(guó)GE MDS公司生產(chǎn)的EL806數(shù)傳模塊擁有先進(jìn)的調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)，在902～928 MHz頻段上提供了速率最高可達(dá)115 200 bps(連續(xù)工作)的工業(yè)級(jí)的無線通信設(shè)備；在無線數(shù)據(jù)通信的可靠性、完整性和糾錯(cuò)能力方面具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，該產(chǎn)品具有供電范圍較寬、功耗較低、功率可達(dá)1 W、環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)的工業(yè)級(jí)性能。硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 μC／OS-II的移植
    μC／OS-II是一個(gè)完整的、可移植、可固化、可裁剪、源代碼公開的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，它可移植到多種不同架構(gòu)的微處理器上，包括8位、16位、32位單片機(jī)或DSP，以及64位的微處理器。
    要在自己的硬件環(huán)境中運(yùn)行該操作系統(tǒng)，首先必須將其移植到相應(yīng)CPU體系結(jié)構(gòu)中，好在國(guó)內(nèi)已有大量的書籍和文章介紹移植方法，嚴(yán)格按照其步驟進(jìn)行源代碼編寫和修改就可以得到一份自己移植的操作系統(tǒng)。更簡(jiǎn)捷、可靠的辦法是從網(wǎng)站下載針對(duì)某一具體架構(gòu)處理器的移植好的例程，大大方便了用戶的使用。關(guān)于移植μC／OS-II到ARM7的方法可參考文獻(xiàn)。
3．2 應(yīng)用程序編寫
    要使用μC／OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，編寫應(yīng)用程序必須遵守其編程規(guī)范。在本應(yīng)用程序中，主要編寫了串口中斷服務(wù)程序和串口數(shù)據(jù)的收發(fā)任務(wù)，在任務(wù)間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，使用了互斥型信號(hào)量和二值信號(hào)量。
    對(duì)于串口中斷服務(wù)程序的編寫，需要注意的問題主要在于通信幀數(shù)據(jù)是否為固定長(zhǎng)度。在本應(yīng)用程序中，串口1接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度固定且較短，其中斷服務(wù)程序和任務(wù)編程相對(duì)較簡(jiǎn)單；串口0和2接收到的數(shù)據(jù)幀是不定長(zhǎng)的且長(zhǎng)度較長(zhǎng)，需要考慮數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度是否為觸發(fā)深度的整數(shù)倍。設(shè)置串口接收中斷觸發(fā)深度為14，當(dāng)通信幀的長(zhǎng)度不是14的整數(shù)倍時(shí)，對(duì)方將通信幀全部發(fā)送完畢后，最后一批數(shù)據(jù)必定不足14字節(jié)，從而導(dǎo)致超時(shí)中斷，就可以在超時(shí)中斷中發(fā)送信號(hào)量來通知接收任務(wù)，成功地結(jié)束接收過程。
    當(dāng)通信幀的長(zhǎng)度正好為14的整數(shù)倍時(shí)，對(duì)方將通信幀全部發(fā)送完畢后，最后一批數(shù)據(jù)必定是14字節(jié)，只能觸發(fā)正常的接收中斷，不會(huì)觸發(fā)超時(shí)中斷。在通信幀數(shù)據(jù)不定長(zhǎng)的情況下，不能通過正常的接收中斷來判斷接收過程是否結(jié)束。為此，在通信任務(wù)中應(yīng)為等待信號(hào)量函數(shù)設(shè)置超時(shí)參數(shù)，當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)穩(wěn)定不變時(shí)就可以結(jié)束接收過程。串口0中斷服務(wù)程序和接收數(shù)據(jù)任務(wù)程序片段代碼如下：
   
   
    依據(jù)所要完成的任務(wù)并結(jié)合硬件系統(tǒng)框圖，將串口0和串口1接收到的數(shù)據(jù)存放在一個(gè)全局?jǐn)?shù)組中，分別創(chuàng)建串口0和串口1接收任務(wù)，兩個(gè)接收任務(wù)將接收到的數(shù)據(jù)直接寫入全局?jǐn)?shù)組的相應(yīng)元素中。由于要求將串口0和串口1接收到的數(shù)據(jù)組幀以每秒一幀的速率發(fā)送出去，而串口0正好是每秒接收到一幀數(shù)據(jù)，或者說與串口0相連接的普通性能GPS接收機(jī)每秒發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，所以發(fā)送幀數(shù)據(jù)的組裝和寫入隊(duì)列任務(wù)的啟動(dòng)可以由串口0接收任務(wù)中的信號(hào)量來控制，這樣可以避免因計(jì)時(shí)誤差而導(dǎo)致下傳的GPS幀數(shù)據(jù)跳變或重復(fù)。
    由于需要將串口2接收到的高性能GPS接收機(jī)數(shù)據(jù)和串口0及串口1接收到的數(shù)據(jù)組幀后寫入發(fā)送數(shù)據(jù)隊(duì)列，所以涉及到發(fā)送數(shù)據(jù)隊(duì)列資源的使用問題，也就是共享資源的使用問題?；コ庑盘?hào)量具有處理優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的功能，特別適合對(duì)共享資源的互斥訪問，其優(yōu)先級(jí)繼承值必須高于所有需要訪問這個(gè)共享資源的任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。這里，串口2接收任務(wù)的優(yōu)先級(jí)為9，數(shù)據(jù)組幀任務(wù)的優(yōu)先級(jí)為13，所以設(shè)置互斥信號(hào)量的優(yōu)先級(jí)繼承值為8。當(dāng)這兩個(gè)任務(wù)向數(shù)據(jù)隊(duì)列中寫入數(shù)據(jù)時(shí)，首先需要獲取互斥型信號(hào)量，待寫完數(shù)據(jù)后應(yīng)及時(shí)釋放信號(hào)量，以供其他任務(wù)使用該資源。
    在主函數(shù)main()中，創(chuàng)建了串口3接收數(shù)據(jù)任務(wù)，該任務(wù)的功能是創(chuàng)建其他任務(wù)，并在無限循環(huán)中等待串口3接收數(shù)據(jù)，當(dāng)串口3接收到數(shù)據(jù)后對(duì)其進(jìn)行判斷，并依據(jù)其內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)的指令。其任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)為最高基于以下兩點(diǎn)：該任務(wù)是關(guān)鍵任務(wù)，當(dāng)接收到指令時(shí)必須執(zhí)行，不得遺漏；該任務(wù)執(zhí)行的不是很頻繁，可以保障低任務(wù)優(yōu)先級(jí)的任務(wù)得到執(zhí)行。其程序代碼如下：
   
     
    數(shù)據(jù)組幀任務(wù)的主要功能是每秒將有關(guān)參數(shù)組裝成一幀數(shù)據(jù)寫入串口3，發(fā)送緩存數(shù)據(jù)隊(duì)列(75字節(jié))，如果收到一條指令則將當(dāng)前幀重復(fù)3次寫入串口3發(fā)送緩存數(shù)據(jù)隊(duì)列(225字節(jié))，其程序如下：
   
    對(duì)于串口3發(fā)送任務(wù)相對(duì)較簡(jiǎn)單，需要注意一點(diǎn)的是在等待發(fā)送結(jié)束信號(hào)量后，一定要將數(shù)據(jù)緩存信號(hào)量清零，代碼如下：
   
   

結(jié)語
    實(shí)際應(yīng)用表明，具有多達(dá)4個(gè)串口的ARM7處理器LPC2365芯片應(yīng)用在多串口通信的工程實(shí)踐中可以減化硬件設(shè)計(jì)，在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／  OS-II下，采用上述關(guān)鍵技術(shù)編寫多串口通信應(yīng)用程序可以使系統(tǒng)工作可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，滿足實(shí)時(shí)性要求。