【文章內(nèi)容簡介】 統(tǒng)，對外部信號的響應(yīng)時(shí)間過長會造成嚴(yán)重后果，而傳統(tǒng)的前后臺系統(tǒng)并不能嚴(yán)格保證實(shí)時(shí)響應(yīng)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的引入不僅可以減少開發(fā)時(shí)間，而且可以大大的改善系統(tǒng)性能。 對嵌入式實(shí)時(shí)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的構(gòu)想傳統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)大都采用單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心中央處理器，軟件上用前后臺方式運(yùn)行。這種技術(shù)在火災(zāi)控制器的低成本與高可靠性中取得了一個(gè)平衡，使得智能火災(zāi)控制器的普及成為可能，為智能消防作出了一定的歷史貢獻(xiàn)。這種火災(zāi)報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)直到今天仍然是國內(nèi)和國外消防設(shè)備領(lǐng)域的主流。但是隨著高層和大型建筑物的增多和結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，對火災(zāi)報(bào)警實(shí)時(shí)性要求的不斷提高，我們認(rèn)為從硬件上來看，以單片機(jī)為核心處理器的火災(zāi)報(bào)警控制器在未來必將讓位于更先進(jìn)的嵌入式處理器。隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，嵌入式微處理器的價(jià)格不斷下降，這個(gè)趨勢將越來越快。目前國內(nèi)已經(jīng)有人開始著手研制基于ARM處理器的火災(zāi)報(bào)警控制器。新型嵌入式處理器的體系結(jié)構(gòu)更加先進(jìn)，指令運(yùn)算速度快，數(shù)據(jù)字長大都是32位，有些集成了流水線結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性大大增強(qiáng)；相當(dāng)多的新型嵌入式芯片集成了網(wǎng)絡(luò)通信接口或者通信處理器，使得嵌入式系統(tǒng)可以方便地接入Internet，網(wǎng)絡(luò)化和遠(yuǎn)程監(jiān)控成為可能，而這些都是單片機(jī)所不具備的[3]。另一方面，從軟件上來看，能夠嚴(yán)格保證實(shí)時(shí)響應(yīng)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有著取代前后臺系統(tǒng)的趨勢。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與硬件平臺的無關(guān)性，并使得復(fù)雜的多任務(wù)應(yīng)用更容易實(shí)現(xiàn)，代碼易于重用和維護(hù)，高性能的編譯器也使得用高級語言編寫代碼成為可能，使得代碼的編寫周期大大縮短。而傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)因?yàn)橘Y源有限，往往缺乏操作系統(tǒng)的支持，對于復(fù)雜的應(yīng)用也必須從底層直接編寫代碼，效率低，難維護(hù)，代碼不具重用性，開發(fā)周期長。目前制約基于RTOS的新型嵌入式火災(zāi)報(bào)警控制器發(fā)展的因素，我認(rèn)為有三個(gè)。8華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文一是嵌入式微處理器價(jià)格目前還高于普通單片機(jī)，二是商用的嵌入式操作系統(tǒng)價(jià)格昂貴，三是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)尚不如單片機(jī)技術(shù)普及，開發(fā)人員對開發(fā)工具和技術(shù)不熟悉，技術(shù)開發(fā)平臺的轉(zhuǎn)換需要時(shí)間和成本。我們認(rèn)為所有這些成本因素正在漸漸消失：便宜的嵌入式微處理器芯片價(jià)格已經(jīng)接近于中檔的單片機(jī)，而性能則遠(yuǎn)高于普通單片機(jī)；盡管商用RTOS價(jià)格昂貴，但是也有很多免費(fèi)RTOS平臺，比如嵌入式Linux，而且有很多免費(fèi)的公開代碼可以參考和移植；技術(shù)平臺的轉(zhuǎn)換盡管需要時(shí)間，但這是必然的趨勢，隨著嵌入式技術(shù)的不斷進(jìn)步，用嵌入式芯片設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)將成為每個(gè)電子工程師的基本技能之一。目前的火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)大都是基于一個(gè)多處理器構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。除了火災(zāi)報(bào)警控制器外，樓層顯示盤，傳感器探頭，回路板，總線盤都有處理器在工作。如果把所有的處理器都換成昂貴的 32 位嵌入式處理器顯然是不現(xiàn)實(shí)的，而且也沒有必要?；馂?zāi)控制器的處理器因?yàn)橛袕?qiáng)實(shí)時(shí)性，智能數(shù)字信號處理和網(wǎng)絡(luò)通信能力的需求，可以選用高檔的嵌入式處理器。而作為終端設(shè)備的樓層顯示盤和各種探頭，以及起到連接大量設(shè)備作用的轉(zhuǎn)接模塊則可以選用普通的單片機(jī)構(gòu)成。因而我們這里所說的嵌入式火災(zāi)控制器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)基于現(xiàn)場總線構(gòu)建的，有先進(jìn)的嵌入式處理器系統(tǒng)和普通的單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成的“混合”系統(tǒng)，如圖 11 所示。中心火災(zāi)報(bào)警控制器(以高性能嵌入式處理器為核心)現(xiàn)場總線直控盤……直控盤轉(zhuǎn)接模塊……轉(zhuǎn)接模塊聯(lián)動(dòng)裝置聯(lián)動(dòng)裝置樓顯探頭樓顯探頭令牌火警圖 11現(xiàn)場總線連接的實(shí)時(shí)報(bào)警火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng) 本文的目的、任務(wù)和論文結(jié)構(gòu)因?yàn)闃菍语@示盤是火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)中大量使用的設(shè)備，在完成功能的前提下9華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文對成本要求嚴(yán)格，所以也是一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，但這并不意味著我們只能做一個(gè)傳統(tǒng)的前后臺系統(tǒng)。事實(shí)上，現(xiàn)在已經(jīng)有多種方案可以在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)嵌入式 RTOS，本文的目的和任務(wù)就是在實(shí)時(shí)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于 RTOS 的 CAN 總線漢字火災(zāi)樓層顯示盤。作者成功實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)上移植一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，詳細(xì)探討了在移植過程中遇到的各種問題，并給出了一些移植的心得體會。本文后面的內(nèi)容安排如下：第二章討論我們在火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)中所使用的 CAN 總線原理和自定義的應(yīng)用層協(xié)議。第三章為總體方案設(shè)計(jì)，我們探討了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案。第四章為系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)和各個(gè)模塊設(shè)計(jì)。第五章為我們所移植的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) SmallRTOS51 的技術(shù)特點(diǎn)和移植過程，軟件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，以及軟件設(shè)計(jì)過程中的一些心得。最后一章為整個(gè)開發(fā)工作的測試和調(diào)試總結(jié)，對嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在火警控制系統(tǒng)中的應(yīng)用作出了展望。10華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文2 CAN 總線技術(shù)和應(yīng)用層協(xié)議構(gòu)建 CAN 總線技術(shù)的產(chǎn)生和特點(diǎn)CAN 總線是現(xiàn)場總線的一種，其全稱為“控制器局域網(wǎng)（CAN—Controller AreaNetwork）”, 是德國 Bosch 公司在上個(gè)世紀(jì) 80 年代為解決現(xiàn)代汽車中眾多的電控模塊(ECU)之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行通信協(xié)議。CAN 總線的設(shè)計(jì)充分考慮了汽車上惡劣工作環(huán)境，可靠性高。因此 CAN 總線在諸多現(xiàn)場總線中獨(dú)占鰲頭，成為汽車總線的代名詞[13]。由于 CAN 總線本身的優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用范圍目前已不再局限于汽車行業(yè)，而向自動(dòng)控制、航空航天、航海、過程工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、紡織機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展。目前 CAN 總線已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)公認(rèn)的幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。其典型的應(yīng)用協(xié)議有： SAEJ1939/ISO1178CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA2000 等。由于 CAN 總線為越來越多的不同領(lǐng)域采用和推廣，導(dǎo)致要求不同應(yīng)用領(lǐng)域通信報(bào)文的標(biāo)準(zhǔn)化。在 20 世紀(jì) 90 年代初，Bosch 公司的 CAN 規(guī)范（ 版）被提交作為國際標(biāo)準(zhǔn)。1991 年 9 月 Philips Semiconductors 制定并發(fā)布了 CAN 技術(shù)規(guī)范(Version)。該技術(shù)規(guī)范包括 A 和 B 兩部分。 給出了曾在 CAN 技術(shù)規(guī)范版本 中定義的 CAN 報(bào)文格式， 給出了標(biāo)準(zhǔn)的和擴(kuò)展的兩種報(bào)文格式。此后，1993 年 11月 IS0 正式頒布了道路交通運(yùn)輸工具—數(shù)字信息交換—高速通信控制器局域網(wǎng)(CAN)國際標(biāo)準(zhǔn)(IS0 l1898)，為控制器局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化推廣鋪平了道路[13]。同時(shí)，在CAN 的協(xié)議中定義了物理層的波特率最高為 1Mbps。另外，CAN 數(shù)據(jù)傳送中的錯(cuò)誤處理方式也在 1995 年的 ISO 115192 中標(biāo)準(zhǔn)化，ISO 11898 標(biāo)準(zhǔn)也由于加入了描述29 位 CAN 的標(biāo)識符而擴(kuò)充。直到現(xiàn)在，修改的 CAN 規(guī)范正在標(biāo)準(zhǔn)化的過程中。ISO118981 描述了“CAN 數(shù)據(jù)鏈路層”，ISO 118982 定義了“無錯(cuò)誤誤差 CAN 物理層”，ISO 118983 規(guī)定了“錯(cuò)誤誤差物理層”。ISO 標(biāo)準(zhǔn) 11992（卡車和拖車的接口）和 11783（農(nóng)業(yè)和林業(yè)機(jī)械）兩者定義了以 CAN 為基礎(chǔ)的應(yīng)用條款，它們的依據(jù)是 US 協(xié)議J1939[14]。CAN總線是一種架構(gòu)開放、廣播式的新一代網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，其物理特性和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議更強(qiáng)調(diào)底層監(jiān)測和控制，有更突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，它具有以下一11華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文些基本優(yōu)點(diǎn)[14]：CAN總線協(xié)議最大的特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，代之以對數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，可以用多主方式工作；CAN總線采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，有效避免了總線沖突；CAN總線采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)（），數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時(shí)間短；CAN總線的每幀數(shù)據(jù)都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?適于在高干擾環(huán)境中使用；CAN總線節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，具有自動(dòng)關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上其它操作不受影響；CAN總線可以點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)（成組）及全局廣播集中方式傳送和接受數(shù)據(jù)；CAN總線直接通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（速率5Kbps及以下），通訊速率最高可達(dá)1Mbps（此時(shí)通信距離最高為40M）；采用非歸零碼（NRZNon Return to Zero）編碼／解碼方式，并采用位填充（插入）技術(shù)。 CAN 總線技術(shù)規(guī)范CAN 技術(shù)規(guī)范 和 以及 CAN 國際標(biāo)準(zhǔn) ISO 11898 是設(shè)計(jì) CAN 應(yīng)用系統(tǒng)的基本依據(jù)，也是應(yīng)用設(shè)計(jì)工作的基本規(guī)范。 的標(biāo)識符有 11 位，而 的標(biāo)識符有 29 位，因此 對標(biāo)識符的定義具有更大的靈活性。CAN總線中的總線數(shù)值為兩種互補(bǔ)的邏輯數(shù)值之一:“顯性”或“隱性”。其中“顯性”(Dominant)數(shù)值表示邏輯“0”,而“隱性”(Recessive)表示邏輯“1”。當(dāng)“顯性”和“隱性”位同時(shí)發(fā)送時(shí)，最后總線數(shù)值將為“顯性”。在“隱性”狀態(tài)下，VCANH和VCANL被固定為平均電壓電平，Vdiff近似為0。在總線空閑或“隱性”位期間，發(fā)送“隱性”狀態(tài)。“顯性”狀態(tài)以大于最小閥值的差分電壓表示。在“顯性”位期間，“顯性”狀態(tài)改寫“隱性”狀態(tài)并發(fā)送。以VCANH和VCANL之間的差分電壓來講，“顯性”位是高電平，表示邏輯“0”，“隱性”位是低電平，表示邏輯“1”。高電平可以覆蓋低電平，所以在總12華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文線上邏輯0”可以覆蓋邏輯“1”。CAN總線電平如圖2－1所示[13]。圖21 CAN總線電平CAN系統(tǒng)內(nèi)兩個(gè)任意節(jié)點(diǎn)之間的最大傳輸距離與其位速率有關(guān)。位速率越大，傳輸距離越近。 CAN 總線協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)為使設(shè)計(jì)透明和執(zhí)行靈活，CAN 協(xié)議按分層結(jié)構(gòu)組織。 協(xié)議劃分為 3 個(gè)層次：目標(biāo)層、傳輸層和物理層。目標(biāo)層和傳輸層完成所有服務(wù)和由 ISO/OSI 模型定義的數(shù)據(jù)鏈路層功能， 節(jié)點(diǎn)的分層結(jié)構(gòu)如圖 22 所示[13]。應(yīng)用層目標(biāo)層－報(bào)文濾波－報(bào)文和狀態(tài)處理傳輸層－故障界定－出錯(cuò)檢測和信令－報(bào)文確認(rèn)－應(yīng)答－仲裁－報(bào)文分幀－傳輸速率和定時(shí)物理層－信號電平和位表示－傳輸媒體圖 22 節(jié)點(diǎn)的分層結(jié)構(gòu)和功能目標(biāo)層的功能包括：尋找被發(fā)送的報(bào)文，確定通過傳輸層接收的報(bào)文實(shí)際被使13華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文用以及提供與硬件有關(guān)應(yīng)用層的接口；在定義目標(biāo)層時(shí)，有很多靈活性。傳輸層的功能主要是傳送規(guī)則，亦即控制幀結(jié)構(gòu)，執(zhí)行仲裁，錯(cuò)誤檢測，出錯(cuò)標(biāo)定和故障界定。傳輸層也要確定為開始一次新的發(fā)送，總線是否開放或者是否馬上開始新的接收。位定時(shí)特性也被作為傳輸層特性的一部分。傳輸層不存在修改的靈活性。物理層的范圍是有關(guān)全部電氣特性不同節(jié)點(diǎn)間位的實(shí)際傳送。當(dāng)然，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，物理層對于所有的節(jié)點(diǎn)都必須相同。在選擇物理層時(shí)也存在著很大的靈活性。 技術(shù)規(guī)范的范圍是定義傳輸層和 CAN 有關(guān)的外層，傳輸層描述由目標(biāo)層接收到的報(bào)文和對目標(biāo)層發(fā)送的認(rèn)可報(bào)文，傳輸層可響應(yīng)位定時(shí)和同步、報(bào)文幀、仲裁、應(yīng)答、錯(cuò)誤檢測和標(biāo)定以及故障界定。傳輸層是 CAN 協(xié)議的核心。目標(biāo)層的主要功能是報(bào)文濾波及狀態(tài)和報(bào)文處理。物理層則定義了信號怎樣發(fā)送出去[13][14] 協(xié)議遵循 ISO/OSI 標(biāo)準(zhǔn)模型，分為數(shù)據(jù)鏈路層（包括 LLC－Logical LinkControl）子層和媒體訪問控制（MAC－Medium Access Control）子層，還有物理層。 節(jié)點(diǎn)的分層結(jié)構(gòu)如圖 23 所示[13]。數(shù)據(jù)鏈路層邏輯鏈路子層接收濾波超載通知恢復(fù)管理媒體訪問控制子層數(shù)據(jù)封裝/拆裝幀編碼(填充/解除填充)媒體訪問管理錯(cuò)誤檢測出錯(cuò)標(biāo)定應(yīng)答串行化/解除串行化物理層位編碼/解碼位定時(shí)故障界定總線故障管理同步驅(qū)動(dòng)器/接收器特性圖 23 節(jié)點(diǎn)分層結(jié)構(gòu)和功能14。華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文LLC 子層的主要功能是：為數(shù)據(jù)傳送和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求提供服務(wù)，確認(rèn)由 LLC 子層接收到的報(bào)文已被接收和為恢復(fù)管理和通知超載提供信息。在定義 LLC 子層時(shí)存在很多靈活性。MAC 子層的主要功能是傳送規(guī)則，亦即控制幀結(jié)構(gòu)，執(zhí)行仲裁，錯(cuò)誤檢測，出錯(cuò)標(biāo)定和故障界定。MAC 子層也要確定為開始一次新的發(fā)送，總線是否開放或者是否馬上開始接收。位定時(shí)特性