摘  要： 提出了一個基于ARM架構(gòu)處理器和μC/OS-II操作系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)，介紹了其μC/OS-II操作系統(tǒng)的移值方法,，并對數(shù)據(jù)采集/控制器的軟件系統(tǒng)進(jìn)行了分析與設(shè)計,。
關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng),；遠(yuǎn)程監(jiān)控；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　嵌入式系統(tǒng)是計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的重要發(fā)展方向之一,。隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)與應(yīng)用已步入一個全面發(fā)展的階段,。由于嵌入式系統(tǒng)具有體積小,、性能強(qiáng)、功耗低,、可靠性高以及面向行業(yè)應(yīng)用的特點(diǎn),，目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于軍事國防、消費(fèi)電子,、網(wǎng)絡(luò)通信,、工業(yè)控制等領(lǐng)域。特別在數(shù)據(jù)采集與自動化控制領(lǐng)域,，嵌入式系統(tǒng)更是顯現(xiàn)了其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢與魅力,。
　進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)，開發(fā)平臺的選擇非常重要,。目前,，基于ARM架構(gòu)的硬件平臺較為流行，產(chǎn)品資源非常豐富,。而μC/OS-II是近年來發(fā)展迅速的開放源碼實(shí)時操作系統(tǒng),，具有良好的可移植性，因此,，基于ARM架構(gòu)的處理器和μC/OS-II操作系統(tǒng)是進(jìn)行嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的理想平臺,。
1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)
1.1 系統(tǒng)功能與組成
　利用上述平臺本文設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一個遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，測量遠(yuǎn)程設(shè)備的環(huán)境溫度變化情況和電池電量,，并能啟動溫度控制器工作,，在電池電量不足時，向數(shù)據(jù)采集控制中心發(fā)送報警信息,。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能有：
?。?）定時檢測、采集遠(yuǎn)程設(shè)備環(huán)境溫度及供電電池電壓,，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心,；
　（2）在環(huán)境溫度超出預(yù)定范圍時,，啟動溫控器工作,，以保持設(shè)備環(huán)境溫度；
?。?）在電池電量不足時,，向監(jiān)控中心發(fā)送報警信息,；
　（4）可本地設(shè)置,、修改系統(tǒng)工作參數(shù),，也可由監(jiān)控中心通過短信遠(yuǎn)程控制、設(shè)定系統(tǒng)工作參數(shù),；
?。?）監(jiān)控中心將數(shù)據(jù)信息保存于數(shù)據(jù)庫中，并能對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,，按預(yù)設(shè)參數(shù)決定是否需對遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行人工維護(hù),；
　（6）數(shù)據(jù)采集/控制器工作異常時,，能向監(jiān)控中心發(fā)送報警信息,，請求進(jìn)行人工維護(hù)；
?。?）能將采集的溫度數(shù)據(jù)信息本地存儲,，系統(tǒng)通信失敗時，可通過USB設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)儲,。
系統(tǒng)組成關(guān)系如圖1所示,。其中數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2000，用于存儲采集到的數(shù)據(jù)信息和遠(yuǎn)程設(shè)備工作,、維護(hù)情況信息,；數(shù)據(jù)采集控制中心采用工控機(jī)服務(wù)器、Windows Server2003,，運(yùn)行數(shù)據(jù)采集控制軟件系統(tǒng),，通過串口與GSM模塊相連，采用短信通信方式完成對遠(yuǎn)程設(shè)備的信息采集與管理控制,；GSM模塊采用Siemens的TC35,，通過短信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息的交互，可使系統(tǒng)建設(shè)與維護(hù)投資小,，工作可靠,；數(shù)據(jù)采集/控制器用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集以及相應(yīng)設(shè)備的控制。

　監(jiān)控器核心板集成了2 MB SRAM和4 MB Flash存儲器和4×4鍵盤,，還集成了所需的外設(shè)接口模塊,，包括液晶顯示接口、USB接口模塊,、A/D轉(zhuǎn)換模塊,、2個RS232接口以及 DC/DC轉(zhuǎn)換等模塊。外接設(shè)備有GSM模塊、128×64液晶屏,，U盤,、電池電源、溫度傳感控制器等,，其中液晶屏和U盤為選配設(shè)備,，為降低系統(tǒng)成本與功耗，只在需要時配接相應(yīng)設(shè)備,。
2 數(shù)據(jù)采集/控制器軟件系統(tǒng)設(shè)計
　在目前嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)中,，μC/OS-II源碼公開、結(jié)構(gòu)簡單,、移植性好,，采用C語言和匯編語言實(shí)現(xiàn),，其中絕大部分使用C語言,，結(jié)構(gòu)非常簡單；能很容易被移植到各種微處理器上,，移植過程中,，用戶只需做少量工作；支持實(shí)時多任務(wù),，可裁剪,、可固化，是一款優(yōu)秀的嵌入式操作系統(tǒng),，以其為平臺,，用戶可以快速地開發(fā)出自己的應(yīng)用系統(tǒng)。
2.1 μC/OS-II的移植
　以μC/OS-II為軟件平臺開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng),，首先,，要進(jìn)行ARM硬件平臺下的操作系統(tǒng)移植，對μC/OS-II與處理器有關(guān)的代碼進(jìn)行修改,，主要工作有：
?。?）在系統(tǒng)文件OS_CPU.H中要定義10個不依賴于編譯的數(shù)據(jù)類型，以免與處理器類型產(chǎn)生關(guān)聯(lián),，從而影響移植,；定義OS_STK_GROWTH常量為1，指明堆棧的生長方向?yàn)樽陨隙?；定義兩個宏OS_ENTER_CRITICAL（）,、OS_EXIT_CRITICAL（），以禁止和允許中斷,，系統(tǒng)代碼訪問臨界區(qū)前要先禁止中斷,，訪問完畢后重新允許中斷；定義宏OS_TASK_SW（），在任務(wù)級代碼中調(diào)用,，使系統(tǒng)從低優(yōu)先級任務(wù)切換到高優(yōu)先級任務(wù),。
　（2）在OS_CPU_C.C文件中編寫6個C函數(shù) OSTaskStkInit（）,、OSTaskCreateHook（）,、OSTaskDelHook（）、OSTaskSwHook（）,、OSTaskStatHook（）,、OSTimeTickHook（）。OSTaskStkInit（）用來初始化任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu),，OSTaskCreateHook（）允許用戶及使用特定移植實(shí)例的用戶擴(kuò)展μC/OS-II的功能,，OSTaskDelHook（）用于任務(wù)刪除時的系統(tǒng)調(diào)用，OSTaskSwHook（）是發(fā)生任務(wù)切換時的調(diào)用函數(shù),。這些函數(shù)中只有OSTaskStkInit（）是必需和函數(shù),，其余函數(shù)必須聲明，但不一定需要包含代碼,。
?。?）在OS_CPU_A.ASM文件中編寫4個匯編函數(shù)：OSStartHighRdy（）使就緒狀態(tài)的最高優(yōu)先級任務(wù)開始運(yùn)行，OSCtxSw（）用于任務(wù)級的任務(wù)切換,，OSIntCtxSw（）用于中斷級的任務(wù)切換,，OSTickISR為內(nèi)核處理時鐘節(jié)拍的中斷處理函數(shù)。應(yīng)注意運(yùn)行OSStart（）后,，在系統(tǒng)啟動的第一個任務(wù)中初始化節(jié)拍中斷,。
　（4）主函數(shù)程序結(jié)構(gòu)：在主程序中應(yīng)包含頭文件config.h,，其中對最大任務(wù)數(shù),、信號量和郵箱等內(nèi)核參數(shù)進(jìn)行定制和配置，分配各任務(wù)的堆?？臻g,，主函數(shù)main（）要先后調(diào)用OSInit（），變量初始化,，創(chuàng)建各任務(wù),，調(diào)用OSStart（），進(jìn)入實(shí)時多任務(wù)運(yùn)行狀態(tài),。主程序結(jié)構(gòu)如下：
#include “config.h”
　OS_STK   TaskStk[TASK_STK_SIZE],；
　OS_STK   Task_Stk1[TASK_STK_SIZE]；
　  … … … /*為各任務(wù)分配堆?？臻g*/
　main（void）
　{
　OSInit（）,；
　OSTaskCreate（Task1，（void*）0，&Task_Stk1[TASK_STK_SIZE-1],，0）,；
　… … … /*創(chuàng)建各任務(wù)*/
　OSStart（）；
　return 0,；
　}
2.2 系統(tǒng)任務(wù)劃分與功能設(shè)計

　數(shù)據(jù)采集/控制器的軟件系統(tǒng)共劃分為6個主要任務(wù),，按優(yōu)先級順序分別為控制任務(wù)、鍵盤任務(wù),、溫度監(jiān)測任務(wù),、串口通信任務(wù)、電量監(jiān)測任務(wù),、顯示任務(wù),。
　（1）控制任務(wù)：啟動系統(tǒng)各任務(wù)后,，根據(jù)收到的鍵盤或短信命令,，修改系統(tǒng)工作參數(shù)，控制系統(tǒng)工作狀態(tài),，溫度超過設(shè)定值時,，控制溫度控制器工作。
?。?）鍵盤任務(wù)：通過鍵盤可以輸入控制命令、設(shè)置系統(tǒng)工作參數(shù),。鍵盤任務(wù)循環(huán)讀取鍵盤,，將按鍵信息發(fā)送到控制任務(wù)，任務(wù)處理過程中應(yīng)考慮到按鍵的抖動等特殊情況的處理,。
?。?）溫度監(jiān)測任務(wù)：監(jiān)測環(huán)境溫度，按設(shè)置參數(shù)定時讀取經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的溫度值,，進(jìn)行本地存儲,，并向串口通信任務(wù)發(fā)送環(huán)境溫度信息，由串口通信任務(wù)通過GSM模塊向數(shù)據(jù)采集控制中心發(fā)送溫度數(shù)據(jù)短信,，供采集控制中心儲存,、統(tǒng)計和分析。該任務(wù)還要進(jìn)行喂狗操作,，將看門狗復(fù)位,，然后進(jìn)入循環(huán)等待下一次定時數(shù)據(jù)采集。
?。?）串口通信任務(wù)：將采集的溫度,、電量等信息緩存至規(guī)定（可設(shè)置）的條數(shù)時，通過串口發(fā)送給GSM模塊；對收到的報警信息則不進(jìn)行緩存,，直接通過串口發(fā)送給GSM模塊,。每次發(fā)送數(shù)據(jù)完成后，讀取GSM模塊的未接收短信,，若為命令短信,，則發(fā)送給控制任務(wù)進(jìn)行相應(yīng)控制。
?。?）電量監(jiān)測任務(wù)：檢測電池電量,，當(dāng)電池電量低于設(shè)定值時，向串口通信任務(wù)發(fā)送低電信息,，由串口通信任務(wù)通過GSM模塊向數(shù)據(jù)采集控制中心發(fā)送低電報警短信,，請求人工維護(hù)。
?。?）顯示任務(wù)：顯示任務(wù)用于顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài),，包括溫度、電量,、報警信息以及鍵盤輸入信息的回顯,，考慮系統(tǒng)的低功耗要求，在遠(yuǎn)程無人值守環(huán)境下,，可關(guān)閉系統(tǒng)的顯示,，或取消液晶顯示配置，降低硬件成本,。
　本文以ARM系統(tǒng)的控制器系統(tǒng)和μC/OS-II為軟,、硬件平臺，實(shí)現(xiàn)了一個遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集/控制系統(tǒng),，達(dá)到了低成本,、低功耗、建設(shè)實(shí)施簡便,、快捷的要求,，應(yīng)用效果令人滿意。本系統(tǒng)的解決方案對于相似應(yīng)用環(huán)境的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制具有一定的借鑒意義,。
參考文獻(xiàn)
[1] 邵貝貝譯.μC/OS-II源碼公開的實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)[M].北京：中國電力出版社,，2001.
[2] 周立功.ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.