1、精選優質文檔-傾情為你奉上基于嵌入式操作系統的數字電子鐘系統設計一嵌入式背景介紹隨著信息化、智能化、網絡化的發展以及計算機技術的發展，嵌入式技術也獲得了廣闊的發展空間，嵌入式技術目前已成為通信和消費類產品的共同發展方向。嵌入式技術的應用到處可見，應用十分廣泛。如家庭中的數字電視、機頂盒、DVD、超級VCD智能手機等；辦公室中的復印機、打印機、掃描儀、鍵盤燈；手持設備也用到了嵌入式技術，包括MP3、GPS手機、數碼相機、數碼攝像機等；汽車電子產品：電子地圖、導航、車載GPS等。其他領域，如通信、機器人等都應用到了嵌入式技術，由此可以看出，嵌入式系統的發展已日趨成熟了。嵌入式系統被定義為：以應用為

2、中心，以計算機技術為基礎、軟件硬件可剪裁、適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。嵌入式系統是現代多學科互相融合的產物，嵌入式系統無多余軟件，并且以固態化出現，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。嵌入式系統又是知識密集，投資規模大，產品更新換代快，且具有不斷創新特征、不斷發展的系統。嵌入式系統主要由嵌入式處理器、相關支撐硬件和嵌入式軟件系統組成，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，具有很強的經濟性。相關支撐硬件

3、包括顯示卡、存儲介質、通訊設備、IC卡或信用卡的讀取設備等。嵌入式系統有別于一般的計算機處理系統，它不具備像硬盤那樣大容量的存儲介質，而大多使用閃存作為存儲介質。嵌入式軟件包括與硬件相關的底層軟件、操作系統、圖形界面、通訊協議、數據庫系統等、標準化瀏覽器和應用軟件等。隨著計算機技術、信息技術和網絡技術以及其他技術的發展，嵌入式系統將向著更加小、更快速、功耗更低以及互聯網的方向發展。本系統的功能是可調數字時鐘，LED顯示時間，通過鍵盤和觸摸屏均可以校對時鐘。通過對本課題的設計達到如下目的：1.熟悉ARM芯片cortex-m3定時/計數器，中斷的應用。 2.掌握給予嵌入式操作系統us/os的編程方

4、法。 3.熟悉時鐘時，分，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的結構，七段碼LED的工作方式和顯示程序的編程。二軟硬件的設計1.設計要求利用cortex-m3，uc/os，七段碼LED，按鍵及常用外圍器件，設計一個基于嵌入式操作系統的數字電子鐘系統，具體要求如下：(1).設計基于嵌入式操作系統的數字電子鐘系統的硬件框圖。(2).設計定時程序。(3).在LED上顯示時間，通過按鍵切換，分別顯示時，分，秒，設計顯示程序。(4).可用鍵盤進行校對時間，設計鍵盤程序。2.硬件環境概述嵌入式系統主要由嵌

5、入式微處理器和操作系統組成。硬件主要包括：微處理器，ROM，DRAM，人機交互接口，A/D、D/A轉換電路，觸摸屏等。嵌入式系統的核心部件是各種類型的嵌入式處理器，嵌入式開發硬件平臺的選擇主要是嵌入式處理器的選擇。在一個系統中使用什么樣的嵌入式處理器內核主要取決于應用的領域、用戶的需求、成本、開發的難易程度等因素。確定了使用哪種嵌入式處理器內核以后，接下來就是綜合考慮系統外圍設備的需求情況一選擇一款合適的處理器。本系統采用基于ARM的S3C44B0X的微處理器，通過系統總線將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，通過外設總線和A/D轉換器、看門狗定時器、通過

6、I/O控制器、PWM定時器等連接在一起。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，鍵盤模塊輸入數字型數據或選擇控制設備的操作模式，LCD通過數據總線寄存器及使能信號與處理器連接實現觸摸屏驅動X、Y通道連接。硬件設計原理圖如下：STM32原理圖如下圖：3.軟件環境概述嵌入式系統的軟件一般由嵌入式操作系統和應用軟件組成，編譯過程是一起進行的。而操作 系統的軟件又與硬件緊密相關，必須與具體應用相結合才能發揮其優勢，即必須結合實際系 統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，然后在其上開發出 需要的系統，是一

7、種比較好的發展模式。從某種程度上來說，嵌入式系統是指能夠運行操作系統的軟硬件綜合體。就實時嵌入式操作系統（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)可裁剪的微內核結構，高效的多任務優先級管理，s級的中斷處理（Windows下 的中斷最快是55s/次），更加有利于工業控制效率的提高；2)支持多處理器并行處理及任務間通信（這一點對于

8、電力系統并行計算有可借鑒之處）；3)具有共享內存，有利于實時數據庫的實現；4)靈活的引導方式（支持從ROMflash本地盤網絡引導），引導操作系統事件 更短，甚至可以一上電在秒級的時間內就跳轉至用戶程序處等等。從這些特點可看出，在工業控制等領域以嵌入式RTOS作為軟件平臺將比Windows、UNI X、OS2等商用操作系統更有其特殊的優勢。例如東北電網的SCADA與EMS中就采 用了VXM實時操作系統。目前國際上已有幾百個成熟的實時嵌入式操作系統，而我國在這方面起步較晚。這里將比較 兩種實時操作系統以說明選擇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

9、。它是由Linux2. 0內核發展來的，內核代碼小于512 kb。uC/OS-內核編譯過后大約為61 0kb。uC/OS-內核是針對實時系統的要求設計實現的，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-優越。uCLinux繼承了Linux內核的特點，支持文件系統和網絡能力，并 提供了一些API接口函數，而uC/OS-只是一個實時內核，要建立一個 實用的系統，還需要進行擴展。由于該系統設計對實時性要求很高，所以本文選擇uC/OS-內核進行移植。嵌入式系統中，軟件和硬件緊密配合，協調工作，共同完成系統預定的功能。根據OSI的七層模型可以確定鏈路層

10、和物理層有硬件實現，其他各層由軟件實現。（三）系統的實現 由于嵌入式應用軟件是通過并發的任務來運作的，應用軟件開發的系統設計將系統劃分為多個并發執行的任務，通過相互間通信建立聯系。根據需求劃分任務是比較重要的一步，通用部分可以劃分為各個功能子模塊。本文中設計的保護測控系統，劃分成數據采集、液晶操作、鍵盤處理、循環計算程序、保護 量計算、繼電器出口等任務，每一個任務根據相互之間的關系及數據流設置優先級以及執行 頻率，這些設 置好之后都由內核實現調度和任務之間的通信。同時還要根據實際情況設置中斷的優先級。在以uC/OS-為操作系統的項目中，系統 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

11、要調用uC/OS-的各種Post函數向任務發出消息，那么uC/OS-中的中斷服務程序的寫法是：1)保存全部CPU寄存器；2)調用OSIntEnter或OSIntNesting直接加1；3)執行用戶代碼做中斷服務；4)調用OSIntExit；5)恢復所有CPU寄存器；6)執行中斷返回指令。這種方式實際上是將這個中斷處理加入了任務調度系統，也就是說這個中斷可以引起任務的 切換，也叫“標準中斷”。如果在中斷處理中沒有調用各種Post函數的話，則可以用原 來沒有操作系統時的寫法：1)保存中斷處理程序需要用到的CPU寄存器；2)執行中斷處理；3)恢復保存了的CPU寄存器；4)執行中斷返回指令。按照這種方

12、法定義的中斷永遠不會引起任務切換，稱為“快中斷”。用戶應用程序API函數驅動程序（與硬件中的設備對應）硬件（LCD、USB、FLASH和網卡等）基于uC/OS-II的RTOS內核圖2：系統結構主要軟件設計如下：1. 主程序 主程序的主要功能是進行定時器/計數器初始化編程，然后通過反復調用子程序的方法，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,KeyChanFl

13、ag;extern u8 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;Time

14、3Flag = 0;for(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KeyScan();if(KeyChanFlag = 0x01)switch (KeySta)case 0x07:KeyCountA+;if(KeyCountA > 0x

15、04)KeyCountA = 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循環下實現計數，d為秒 LEDDispA=a;/LEDA顯示a所對應的值 LEDDispB=b;/LEDB顯示b所對應的值 LEDDispC=c;/LED

16、C顯示c所對應的值 LEDDispD=d;/LEDD顯示d所對應的值 delay_ms(50);/延時 /*實現60進制技術，即為秒的設計*/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，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60進制技術，即為分的設計*/ if(b=10)/當b=10時，b已經完成0-9的計數，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，全部清零 a=0; b=0; c

17、=0; d=0; 2. 定時中斷程序 采用中斷方式進行溢出次數累計，計滿20次即到秒計時。從秒到分，從分到時的計時，可通過數值比較實現。流程框圖如圖3-2所示。3. 設計鍵盤子程序（KEY） 采用獨立按鍵掃描法，設計鍵盤程序。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、結束語本系統中還有許多問題存在，由于我剛接觸嵌入式系統，對其了解的不是很深，只是在老師原先給的數碼管動態顯示的那個程序的基礎上改的。我并沒有用外部中斷去實現計時器，而是在主程序中用C語言區實現，在主程序中寫還是比較簡單的，只是一開始要想好設計思路。我的設計想法是整個計數在d的循環計數上實現的，所以整個分，秒的計數都是在for循環里實現的。要注意的是，在秒已經完成0-59計數后是要先清零在進位，否則會0分59秒