摘要：介紹了以LPC2365為核心處理器、嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS-II下的多串口通信編程方法。對于固定長度的短字節(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)；對于變長的長字節(jié)幀數(shù)據(jù)，則通過多次中斷和等待延時的方法判斷數(shù)據(jù)穩(wěn)定并完成幀數(shù)據(jù)的接收；對于大量數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送采用建立FIFO數(shù)據(jù)隊列的方法。
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)；實時操作系統(tǒng)；互斥信號量；數(shù)據(jù)隊列

引言
    國產(chǎn)某掠海恒高硬體拖靶在拖曳飛行時，需要將自身的各種參數(shù)通過無線鏈路實時上傳至拖曳母機，同時實時接收拖曳母機的遙控指令完成相應(yīng)的動作。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接收機輸出的主要參數(shù)值、高性能測量GPS接收機輸出的主要參數(shù)值等。其中，前面7項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)幀長度固定為12字節(jié)，同時接收6字節(jié)／幀的遙控指令數(shù)據(jù)。普通性能GPS接收機以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個參數(shù)，這些總的參數(shù)數(shù)據(jù)量隨所觀測到的衛(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，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以供實時顯示。將高性能測量GPS接收機輸出的數(shù)據(jù)直接上傳至拖曳母機存儲以供事后處理。由此可見這是一個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
    利用具有多個串口資源的ARM7處理器LPC2365芯片分別實時接收數(shù)據(jù)采集板和普通性能GPS接收機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并按要求進行組幀后，通過互斥型信號量存入FIFO類型的發(fā)送數(shù)據(jù)隊列中；將接收到的高性能GPS接收機數(shù)據(jù)也存入同一發(fā)送數(shù)據(jù)隊列中；當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)隊列不為空時，通過一個二值信號量啟動串口發(fā)送任務(wù)進行數(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時操作系統(tǒng)μC／OS-II編寫完成的，針對不同的功能創(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
    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存儲器、32 KB的SRAM、4個全雙工UART串口以及多達70個通用I／O端口，硬件資源非常豐富。4個全雙丁串口可分別與數(shù)據(jù)采集板、普通性能GPS接收機、高性能GPS接收機以及數(shù)傳模塊進行通信；256 KB的Flash存儲器和32 KB的SRAM可以存儲和運行嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS-II下的應(yīng)用程序。
    由于高性能GPS接收機以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GE MDS公司生產(chǎn)的EL806數(shù)傳模塊擁有先進的調(diào)頻擴頻技術(shù)，在902～928 MHz頻段上提供了速率最高可達115 200 bps(連續(xù)工作)的工業(yè)級的無線通信設(shè)備；在無線數(shù)據(jù)通信的可靠性、完整性和糾錯能力方面具有較強優(yōu)勢；同時，該產(chǎn)品具有供電范圍較寬、功耗較低、功率可達1 W、環(huán)境適應(yīng)性較強的工業(yè)級性能。硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

3 軟件設(shè)計
3．1 μC／OS-II的移植
    μC／OS-II是一個完整的、可移植、可固化、可裁剪、源代碼公開的占先式實時多任務(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位單片機或DSP，以及64位的微處理器。
    要在自己的硬件環(huán)境中運行該操作系統(tǒng)，首先必須將其移植到相應(yīng)CPU體系結(jié)構(gòu)中，好在國內(nèi)已有大量的書籍和文章介紹移植方法，嚴格按照其步驟進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)。更簡捷、可靠的辦法是從網(wǎng)站下載針對某一具體架構(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。
3．2 應(yīng)用程序編寫
    要使用μC／OS-II嵌入式實時操作系統(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)間進行數(shù)據(jù)交換時，使用了互斥型信號量和二值信號量。
    對于串口中斷服務(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)幀長度固定且較短，其中斷服務(wù)程序和任務(wù)編程相對較簡單；串口0和2接收到的數(shù)據(jù)幀是不定長的且長度較長，需要考慮數(shù)據(jù)幀長度是否為觸發(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)通信幀的長度不是14的整數(shù)倍時，對方將通信幀全部發(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)致超時中斷，就可以在超時中斷中發(fā)送信號量來通知接收任務(wù)，成功地結(jié)束接收過程。
    當(dāng)通信幀的長度正好為14的整數(shù)倍時，對方將通信幀全部發(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，不會觸發(fā)超時中斷。在通信幀數(shù)據(jù)不定長的情況下，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)為等待信號量函數(shù)設(shè)置超時參數(shù)，當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)穩(wěn)定不變時就可以結(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)存放在一個全局數(shù)組中，分別創(chuàng)建串口0和串口1接收任務(wù)，兩個接收任務(wù)將接收到的數(shù)據(jù)直接寫入全局數(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)的組裝和寫入隊列任務(wù)的啟動可以由串口0接收任務(wù)中的信號量來控制，這樣可以避免因計時誤差而導(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)隊列，所以涉及到發(fā)送數(shù)據(jù)隊列資源的使用問題，也就是共享資源的使用問題?；コ庑盘柫烤哂刑幚韮?yōu)先級反轉(zhuǎn)的功能，特別適合對共享資源的互斥訪問，其優(yōu)先級繼承值必須高于所有需要訪問這個共享資源的任務(wù)的優(yōu)先級。這里，串口2接收任務(wù)的優(yōu)先級為9，數(shù)據(jù)組幀任務(wù)的優(yōu)先級為13，所以設(shè)置互斥信號量的優(yōu)先級繼承值為8。當(dāng)這兩個任務(wù)向數(shù)據(jù)隊列中寫入數(shù)據(jù)時，首先需要獲取互斥型信號量，待寫完數(shù)據(jù)后應(yīng)及時釋放信號量，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)后對其進行判斷，并依據(jù)其內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)的指令。其任務(wù)優(yōu)先級設(shè)為最高基于以下兩點：該任務(wù)是關(guān)鍵任務(wù)，當(dāng)接收到指令時必須執(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)隊列(225字節(jié))，其程序如下：
   
    對于串口3發(fā)送任務(wù)相對較簡單，需要注意一點的是在等待發(fā)送結(jié)束信號量后，一定要將數(shù)據(jù)緩存信號量清零，代碼如下：
   
   

結(jié)語
    實際應(yīng)用表明，具有多達4個串口的ARM7處理器LPC2365芯片應(yīng)用在多串口通信的工程實踐中可以減化硬件設(shè)計，在實時操作系統(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，運行穩(wěn)定，滿足實時性要求。