數(shù)字時鐘的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計

1、基于嵌入式操作系統(tǒng)的數(shù)字電子鐘系統(tǒng)設(shè)計一嵌入式背景介紹隨著信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展以及計算機技術(shù)的發(fā)展，嵌入式技術(shù)也獲得了廣闊的發(fā)展空間，嵌入式技術(shù)目前已成為通信和消費類產(chǎn)品的共同發(fā)展方向。嵌入式技術(shù)的應(yīng)用到處可見，應(yīng)用十分廣泛。如家庭中的數(shù)字電視、機頂盒、DVD、超級VCD智能手機等；辦公室中的復(fù)印機、打印機、掃描儀、鍵盤燈；手持設(shè)備也用到了嵌入式技術(shù)，包括MP3、GPS手機、數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機等；汽車電子產(chǎn)品：電子地圖、導(dǎo)航、車載GPS等。其他領(lǐng)域，如通信、機器人等都應(yīng)用到了嵌入式技術(shù)，由此可以看出，嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展已日趨成熟了。嵌入式系統(tǒng)被定義為：以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、

2、軟件硬件可剪裁、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是現(xiàn)代多學科互相融合的產(chǎn)物，嵌入式系統(tǒng)無多余軟件，并且以固態(tài)化出現(xiàn)，硬件亦無多余存儲器，有可靠性高、成本低、體積小、功耗少等特點。嵌入式系統(tǒng)又是知識密集，投資規(guī)模大，產(chǎn)品更新?lián)Q代快，且具有不斷創(chuàng)新特征、不斷發(fā)展的系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件和嵌入式軟件系統(tǒng)組成，它是集軟硬件于一體的可獨立工作的“器件”。嵌入式處理器主要由一個單片機或微控制器組成。而這些嵌入式微處理器目前多是8位、16位和32位的，與64位的高性能處理器相比，具有很強的經(jīng)濟性。相關(guān)支撐硬件包括顯示卡、存儲介質(zhì)、通訊

3、設(shè)備、IC卡或信用卡的讀取設(shè)備等。嵌入式系統(tǒng)有別于一般的計算機處理系統(tǒng)，它不具備像硬盤那樣大容量的存儲介質(zhì)，而大多使用閃存作為存儲介質(zhì)。嵌入式軟件包括與硬件相關(guān)的底層軟件、操作系統(tǒng)、圖形界面、通訊協(xié)議、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等、標準化瀏覽器和應(yīng)用軟件等。隨著計算機技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及其他技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)將向著更加小、更快速、功耗更低以及互聯(lián)網(wǎng)的方向發(fā)展。本系統(tǒng)的功能是可調(diào)數(shù)字時鐘，LED顯示時間，通過鍵盤和觸摸屏均可以校對時鐘。通過對本課題的設(shè)計達到如下目的：1.熟悉ARM芯片cortex-m3定時/計數(shù)器，中斷的應(yīng)用。 2.掌握給予嵌入式操作系統(tǒng)us/os的編程方法。 3.熟悉時鐘時，分，

4、秒計時方法，掌握編程技巧。4.掌握鍵盤的基本工作原理，鍵的識別，鍵抖動和重鍵問題的解決，鍵盤工作方法和鍵盤程序的編程。5.掌握七段碼LED的結(jié)構(gòu)，七段碼LED的工作方式和顯示程序的編程。二軟硬件的設(shè)計1.設(shè)計要求利用cortex-m3，uc/os，七段碼LED，按鍵及常用外圍器件，設(shè)計一個基于嵌入式操作系統(tǒng)的數(shù)字電子鐘系統(tǒng)，具體要求如下：(1).設(shè)計基于嵌入式操作系統(tǒng)的數(shù)字電子鐘系統(tǒng)的硬件框圖。(2).設(shè)計定時程序。(3).在LED上顯示時間，通過按鍵切換，分別顯示時，分，秒，設(shè)計顯示程序。(4).可用鍵盤進行校對時間，設(shè)計鍵盤程序。2.硬件環(huán)境概述嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式微處理器和操作系統(tǒng)組成

5、。硬件主要包括：微處理器，ROM，DRAM，人機交互接口，A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路，觸摸屏等。嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器，嵌入式開發(fā)硬件平臺的選擇主要是嵌入式處理器的選擇。在一個系統(tǒng)中使用什么樣的嵌入式處理器內(nèi)核主要取決于應(yīng)用的領(lǐng)域、用戶的需求、成本、開發(fā)的難易程度等因素。確定了使用哪種嵌入式處理器內(nèi)核以后，接下來就是綜合考慮系統(tǒng)外圍設(shè)備的需求情況一選擇一款合適的處理器。本系統(tǒng)采用基于ARM的S3C44B0X的微處理器，通過系統(tǒng)總線將CPU、電源管理模塊、存儲器、控制器、LCD控制器、中斷控制器連接在一起，通過外設(shè)總線和A/D轉(zhuǎn)換器、看門狗定時器、通過I/O控制器、PWM定時器

6、等連接在一起。S3C44B0X的160個引腳中，71個引腳可以通過編程的方法定義多功能輸入/輸出引腳。I/O端口有兩種編制方式，鍵盤模塊輸入數(shù)字型數(shù)據(jù)或選擇控制設(shè)備的操作模式，LCD通過數(shù)據(jù)總線寄存器及使能信號與處理器連接實現(xiàn)觸摸屏驅(qū)動X、Y通道連接。硬件設(shè)計原理圖如下：STM32原理圖如下圖：3.軟件環(huán)境概述嵌入式系統(tǒng)的軟件一般由嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件組成，編譯過程是一起進行的。而操作 系統(tǒng)的軟件又與硬件緊密相關(guān)，必須與具體應(yīng)用相結(jié)合才能發(fā)揮其優(yōu)勢，即必須結(jié)合實際系 統(tǒng)的需求進行合理的裁剪。所以，如果能夠建立相對通用的軟硬件基礎(chǔ)，然后在其上開發(fā)出 需要的系統(tǒng)，是一種比較好的發(fā)展模式。從某種

7、程度上來說，嵌入式系統(tǒng)是指能夠運行操作系統(tǒng)的軟硬件綜合體。就實時嵌入式操作系統(tǒng)（operation system）而言，它可大致分為商用嵌入式OS與 源碼開放的嵌入式OS，前者如WindRiver公司的Vxworks、ISI公司的pSOS和Q uantum公司的QNX等，后者如免費的嵌入式Linux，以及本文中所用到的uC/OS 。盡管這些嵌入式RTOS形式多樣，但一般都具有以下特點：1)可裁剪的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，高效的多任務(wù)優(yōu)先級管理，s級的中斷處理（Windows下 的中斷最快是55s/次），更加有利于工業(yè)控制效率的提高；2)支持多處理器并行處理及任務(wù)間通信（這一點對于電力系統(tǒng)并行計算有可借鑒之

8、處）；3)具有共享內(nèi)存，有利于實時數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)；4)靈活的引導(dǎo)方式（支持從ROMflash本地盤網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)），引導(dǎo)操作系統(tǒng)事件 更短，甚至可以一上電在秒級的時間內(nèi)就跳轉(zhuǎn)至用戶程序處等等。從這些特點可看出，在工業(yè)控制等領(lǐng)域以嵌入式RTOS作為軟件平臺將比Windows、UNI X、OS2等商用操作系統(tǒng)更有其特殊的優(yōu)勢。例如東北電網(wǎng)的SCADA與EMS中就采 用了VXM實時操作系統(tǒng)。目前國際上已有幾百個成熟的實時嵌入式操作系統(tǒng)，而我國在這方面起步較晚。這里將比較 兩種實時操作系統(tǒng)以說明選擇uC/OS-的原因。uCLinux是專為無MMU微處理器打造的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。它是由Linux2. 0

9、內(nèi)核發(fā)展來的，內(nèi)核代碼小于512 kb。uC/OS-內(nèi)核編譯過后大約為61 0kb。uC/OS-內(nèi)核是針對實時系統(tǒng)的要求設(shè)計實現(xiàn)的，可以滿足較高 的實時性要求。而uCLinux僅針對嵌入式處理器進行了改良，實時性不如uC/OS-優(yōu)越。uCLinux繼承了Linux內(nèi)核的特點，支持文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)能力，并 提供了一些API接口函數(shù)，而uC/OS-只是一個實時內(nèi)核，要建立一個 實用的系統(tǒng)，還需要進行擴展。由于該系統(tǒng)設(shè)計對實時性要求很高，所以本文選擇uC/OS-內(nèi)核進行移植。嵌入式系統(tǒng)中，軟件和硬件緊密配合，協(xié)調(diào)工作，共同完成系統(tǒng)預(yù)定的功能。根據(jù)OSI的七層模型可以確定鏈路層和物理層有硬件實現(xiàn)，其他各

10、層由軟件實現(xiàn)。（三）系統(tǒng)的實現(xiàn) 由于嵌入式應(yīng)用軟件是通過并發(fā)的任務(wù)來運作的，應(yīng)用軟件開發(fā)的系統(tǒng)設(shè)計將系統(tǒng)劃分為多個并發(fā)執(zhí)行的任務(wù)，通過相互間通信建立聯(lián)系。根據(jù)需求劃分任務(wù)是比較重要的一步，通用部分可以劃分為各個功能子模塊。本文中設(shè)計的保護測控系統(tǒng)，劃分成數(shù)據(jù)采集、液晶操作、鍵盤處理、循環(huán)計算程序、保護 量計算、繼電器出口等任務(wù)，每一個任務(wù)根據(jù)相互之間的關(guān)系及數(shù)據(jù)流設(shè)置優(yōu)先級以及執(zhí)行 頻率，這些設(shè) 置好之后都由內(nèi)核實現(xiàn)調(diào)度和任務(wù)之間的通信。同時還要根據(jù)實際情況設(shè)置中斷的優(yōu)先級。在以uC/OS-為操作系統(tǒng)的項目中，系統(tǒng) 可能要處理各種不同的中斷請求，如果某個中斷處理程序需要調(diào)用uC/OS-的各種P

11、ost函數(shù)向任務(wù)發(fā)出消息，那么uC/OS-中的中斷服務(wù)程序的寫法是：1)保存全部CPU寄存器；2)調(diào)用OSIntEnter或OSIntNesting直接加1；3)執(zhí)行用戶代碼做中斷服務(wù)；4)調(diào)用OSIntExit；5)恢復(fù)所有CPU寄存器；6)執(zhí)行中斷返回指令。這種方式實際上是將這個中斷處理加入了任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)，也就是說這個中斷可以引起任務(wù)的 切換，也叫“標準中斷”。如果在中斷處理中沒有調(diào)用各種Post函數(shù)的話，則可以用原 來沒有操作系統(tǒng)時的寫法：1)保存中斷處理程序需要用到的CPU寄存器；2)執(zhí)行中斷處理；3)恢復(fù)保存了的CPU寄存器；4)執(zhí)行中斷返回指令。按照這種方法定義的中斷永遠不會引起任

12、務(wù)切換，稱為“快中斷”。用戶應(yīng)用程序API函數(shù)驅(qū)動程序（與硬件中的設(shè)備對應(yīng)）硬件（LCD、USB、FLASH和網(wǎng)卡等）基于uC/OS-II的RTOS內(nèi)核圖2：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要軟件設(shè)計如下：1. 主程序 主程序的主要功能是進行定時器/計數(shù)器初始化編程，然后通過反復(fù)調(diào)用子程序的方法，等待定時中斷的到來。流程框圖如圖3-1所示。主程序如下：#include "stm32f10x.h"#include "SysParaSet.h"#include "KeyScan.h"extern u8 KeySta,KeyChanFlag;extern u8

13、TimeCountA,TimeCountB,Time3Flag;extern u8 SecData,MinuData,SecDataPart2,MinuDataPart2;u8 CountA,KeyCountA;u8 LEDDispA,LEDDispB,LEDDispC,LEDDispD;int main(void)int a=0,b=0,c=0,d=0; NVIC_Configuration(); /初始化 GPIOConfiguration(); D3Off; D4Off; D5Off; D6Off; D7Off; D8Off;KeyCountA = 0;Time3Flag = 0;for

14、(CountA=0;CountA<5;CountA+)D3On;D4On;D5On;D6On;D7On;D8On;delay_ms(1000);D3Off;D4Off;D5Off;D6Off;D7Off;D8Off;delay_ms(1000);EXTI9_5_Config();EXTI15_10_Config();TIMER3_Init();ADInit();while (1) /主循環(huán)KeyScan();if(KeyChanFlag = 0x01)switch (KeySta)case 0x07:KeyCountA+;if(KeyCountA > 0x04)KeyCountA

15、= 0;while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, GPIO_Pin_4) = 0);break;default:break;KeyChanFlag = 0x00; LEDDispA = 0; /LEDA顯示0LEDDispB = 0; /LEDB顯示0LEDDispC = 0; /LEDC顯示0LEDDispD = 0; /LEDD顯示0 for(d=0;d<10;d+) /在for循環(huán)下實現(xiàn)計數(shù)，d為秒 LEDDispA=a;/LEDA顯示a所對應(yīng)的值 LEDDispB=b;/LEDB顯示b所對應(yīng)的值 LEDDispC=c;/LEDC顯示c所對應(yīng)的值 LED

16、DispD=d;/LEDD顯示d所對應(yīng)的值 delay_ms(50);/延時 /*實現(xiàn)60進制技術(shù)，即為秒的設(shè)計*/if(d=9) /當d等于9時，進位，即c=c+1 c=c+1; if(c=6)/當c=6時，說明秒的部分已完成0-59的計數(shù)，先將秒的部分清零，再進位 c=0; d=0; b=b+1;/分的部分進一位 /*實現(xiàn)60進制技術(shù)，即為分的設(shè)計*/ if(b=10)/當b=10時，b已經(jīng)完成0-9的計數(shù)，也是先清零，再進位 c=0; d=0; b=0; a=a+1; if(a=6)/當a=6時，說明分的部分已完成0-59的計數(shù)，全部清零 a=0; b=0; c=0; d=0; 2. 定

17、時中斷程序 采用中斷方式進行溢出次數(shù)累計，計滿20次即到秒計時。從秒到分，從分到時的計時，可通過數(shù)值比較實現(xiàn)。流程框圖如圖3-2所示。3. 設(shè)計鍵盤子程序（KEY） 采用獨立按鍵掃描法，設(shè)計鍵盤程序。用軟件方法解決按鍵抖動問題。鍵盤程序框圖如圖3-3所示。三、結(jié)束語本系統(tǒng)中還有許多問題存在，由于我剛接觸嵌入式系統(tǒng)，對其了解的不是很深，只是在老師原先給的數(shù)碼管動態(tài)顯示的那個程序的基礎(chǔ)上改的。我并沒有用外部中斷去實現(xiàn)計時器，而是在主程序中用C語言區(qū)實現(xiàn)，在主程序中寫還是比較簡單的，只是一開始要想好設(shè)計思路。我的設(shè)計想法是整個計數(shù)在d的循環(huán)計數(shù)上實現(xiàn)的，所以整個分，秒的計數(shù)都是在for循環(huán)里實現(xiàn)的。要注意的是，在秒已經(jīng)完成0-59計數(shù)后是要先清零在進位，否則