摘 要：本文結(jié)合LonWorks現(xiàn)場總線的ShortStack技術(shù)和基于芯片MSP430F149上嵌入μcos_Ⅱ操作系統(tǒng)的開發(fā)的優(yōu)點(diǎn)，使其應(yīng)用于多用途智能節(jié)點(diǎn)的LON控制網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用程序被移植到目標(biāo)平臺。此外，對于這種嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基本方法也進(jìn)行了分析。 關(guān)鍵詞：ShortStack;多用途智能節(jié)點(diǎn);MSP430F149 1 前言 　　LonWorks現(xiàn)場總線是美國Echelon公司推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)，它具有統(tǒng)一性、開放性、互操作性及支持多種通信介質(zhì)等優(yōu)良性能,是當(dāng)今最流行的現(xiàn)場總線之一。但是由于LonWorks控制節(jié)點(diǎn)的核心神經(jīng)元芯片（Neuron Chip）的應(yīng)用處理能力相對較弱，因而對于復(fù)雜的應(yīng)用常使用主從處理器結(jié)構(gòu)，主處理器完成用戶的應(yīng)用功能，而把Neuron芯片作為通信協(xié)處理器。由于可以提高了節(jié)點(diǎn)的處理能力，節(jié)省資金和開發(fā)時間，因此，具有多功能的通用嵌入式主處理器具有很好的應(yīng)用前景。本文采用的MSP430F149主處理器是TI公司基具有較高的集成度的芯片,簡化了應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì),適合作為多用途智能節(jié)點(diǎn)。 2 ShortStack的介紹和實(shí)現(xiàn) 　　2.1 ShortStack的結(jié)構(gòu) 　　ShortStack微服務(wù)器是Echelon公司提供的一套開發(fā)包，其結(jié)構(gòu)圖如下： [align=center] 圖1 ShortStack結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　由圖可看到，主處理器與ShortStack 微服務(wù)器通信通過ShortStack API函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，通常使用其中的5個，lonInit（），lonEventHandler（），lonPropagateNv（），lonPollNv（）和lonsendServicePin（）。ShortStack Micro Server,運(yùn)行ShortStack固件，運(yùn)行LonTalk協(xié)議的1～6層;主處理器運(yùn)行SCI串口驅(qū)動程序，運(yùn)行ShortStack API函數(shù)，處理與Lonworks其他節(jié)點(diǎn)通信;主處理器應(yīng)用部分調(diào)用ShortStack API函數(shù)。主處理器設(shè)備的接口支持文件，由Neuron C model file 通過使用ShortStack向?qū)懋a(chǎn)生，產(chǎn)生數(shù)據(jù)表定義網(wǎng)絡(luò)變量和收發(fā)器參數(shù)。而Model file只需要聲明網(wǎng)絡(luò)變量NVs，配置屬性CPs和功能模塊FBs，因此，可以不需要熟悉Neuron C。 　　串行驅(qū)動程序?yàn)橹魈幚砥骱蛷奶幚砥髦g提供一個獨(dú)立的接口。整個串行驅(qū)動程序由兩部分構(gòu)成：上層驅(qū)動程序?yàn)橹鲬?yīng)用程序提供一個接口;底層驅(qū)動程序完成與神經(jīng)元芯片的硬件接口。上層和底層驅(qū)動之間的數(shù)據(jù)交換通過緩沖隊(duì)列完成。底層驅(qū)動程序與從處理器的通訊包括SCI上傳和SCI下傳兩類，SCI上傳是數(shù)據(jù)由神經(jīng)元芯片上傳到主處理器;SCI下傳是數(shù)據(jù)由主處理器下傳到神經(jīng)元芯片。 　　2.2 ShortStack的軟件實(shí)現(xiàn) 　　采用提供的Neuron C模板事例修改編寫。主要修改ldvsci.h和ldvsci.c中與MSP430F149處理器相關(guān)的語句。 　　在ldvsci.h中，修改為： 　　#define ENABLE_RX_TX（） （ME1 | = UTXE0+URXE0） 　　#define ENABLE_TX_ISR（） （IE1 |= 0x80） 　　#define ENABLE_TX_COMPLETE_ISR（） （IFG1|=0x80） //USART0發(fā)送標(biāo)志 　　#define ENABLE_RX_ISR（） （IE1|= 0x40） //enable SCI receive interrupt 　　#define DISABLE_TX_ISR（） （IE1 &= ～0x80） 　　#define DISABLE_TX_COMPLETE_ISR（） （IFG1 &= ～0x80） // USART0發(fā)送標(biāo)志復(fù)位 　　#define DISABLE_RX_ISR（） （IE1 &= ～0x40） 　　#define CHECK_RTS（） （P2OUT& 0x02） // check RTS 　　#define CHECK_CTS（） （P2IN& 0x01） // check CTS 　　#define ASSERT_RTS（） （P2OUT &= ～0x02） // assert RTS 　　#define DEASSERT_RTS（） （P2OUT|= 0x01） // deassert RTS 　　#define DEASSERT_HRDY（） （P2OUT |= 0x04） // deassert _HRDY 　　#define ASSERT_HRDY（） （P2OUT &= ～0x04） // assert _HRDY 　　在ldvsci.h中，修改了void SysResetSCI（void） ，void SysInit（void）， 　　void SysUpdateWDT（void）， @interrupt void RxInt （void）以及@interrupt void TxInt （void）中與MSP430F149相關(guān)的程序。 　　其他文件做少許改變，其中platform.h定義了BIG_ENDIAN and LITTLE_ENDIAN的區(qū)別，對應(yīng)于哈佛結(jié)構(gòu)和馮.諾伊曼體系結(jié)構(gòu)。由于MSP430F149核是馮.諾伊曼體系結(jié)構(gòu)的，所以ShortStack需用LITTLE_ENDIAN（即高字節(jié)存在高位地址）。 　　2.3 ShortStack的硬件件實(shí)現(xiàn) 　　從處理器（如圖2）采用TP/FT-10F控制模塊，該模塊由微型電路板構(gòu)成, 包括一個3150 芯片、一塊閃存、一個通信收發(fā)器、電源連接器、I/O 口和網(wǎng)絡(luò)接口, 其中IO_0～I(xiàn)O_10 為神經(jīng)元芯片3150 的11 個I/O 管腳用于對控制設(shè)備的連接, DataA 和DataB 是FTT- 10收發(fā)器與網(wǎng)絡(luò)的連接口，它能夠?qū)⒅魈幚砥鹘?jīng)過處理輸出的數(shù)據(jù)發(fā)送到LON 總線，也可以將LON 總線上的消息傳送給主處理器。 　　主處理器與神經(jīng)元芯片之間的通信采用SCI模式。SCI接口是一個半雙工串行異步通信接口，通信的格式是：一個起始位，8個數(shù)據(jù)位和一個停止位（LSB在先）。通信模式的選擇由IO3確定，IO3接地選擇SCI通信模式。IO5、IO6則用來選擇通訊速率。 3 μcos_Ⅱ的移植 　　μcos_Ⅱ的全部源代碼，共16個文件。移植工作涉及的源文件分為三部分：與處理器無關(guān)的代碼部分，這部分代碼完成操作系統(tǒng)的基本功能，包括10個文件，即：OS_CORE.C，OS_MBOX.C，OS_MEM.C，OS_Q.C，OS_SEM .C，OS_TASK.C，OS_TIME.C.OS_FLAG.C，OS MUTEX.C，uCOS_II.H。設(shè)置代碼部分，包括OS—CFG.H 和INCLUDES.H 兩個頭文件，用來進(jìn)行操作系統(tǒng)配置。 [align=center] 圖2 主從處理器連接圖[/align] 　　最主要的部分是與處理器有關(guān)部分的代碼，包括一個頭文件OS_CPU.H、一個C代碼文件OS_CPU_C.C 及一個匯編文件OS_CPU_A.ASM，將其移植到MSP430F149處理器上，需要修改這3個與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的文件，代碼量大約是500行。下面分別介紹這3個文件的移植。 　　OS_CPU.H這部分代碼包括數(shù)據(jù)類型定義、堆棧單位定義、堆棧增長方向定義、關(guān)中斷和開中斷的宏定義以及進(jìn)行任務(wù)切換的宏定義等。其中，為了在不同的工作模式下調(diào)用系統(tǒng)的底層接口函數(shù)不受訪問權(quán)限的限制，使用軟中斷SWI。堆棧的單位與CPU的寄存器長度一致，結(jié)構(gòu)常量OS_STK_GROWTH置1，表示堆棧從由高地址向低地址增長。 　　OS_CPU_C.C要求編寫六個簡單的c函數(shù)：OSTaskSiklnit（）;OSTaskCreateHook（）;OSTaskDelHook（）;OSTaskSwHook（）;OSTaskStatHook（）;OSTimeTickHook（）唯一必要的函數(shù)是OSTaskStklnit（），其它五個函數(shù)必須聲明但沒必要包含。對于OSTaskStklnit（）而言，OSTaskCreate（）和OSTaskCreateExt（）通過調(diào)用OSTaskStkInit（）來初始化任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)，OSTaskStkInit（）返回堆棧指針?biāo)傅牡刂?，OSTaskCreate（）會獲得該地址并將它保存到任務(wù)控制塊（OS TCB）中。 　　CPU_ A.ASM要求編寫四個簡單的匯編語言函數(shù)：OSStartHighRdy（）;OSCtxSw（）; 　　OSIntCtxSw（）;OSTickISR（）。將所有與處理器相關(guān)的代碼放到OS_CPU_C.C文件中，而不必放在一些分散的匯編語言文件中。 　?。?）OSStartHighRdy（）：運(yùn)行高優(yōu)先級就緒任務(wù)函數(shù)OSStartHighRdy（）必須調(diào)用OSTaskSwHook（），因?yàn)镺STaskSwHook（）可以通過檢查OSRunning而確定是OSStartHighRdy（）在調(diào)用它（OSRunning為FALSE）還是正常的任務(wù)切換在調(diào)用它（OSRunning為TRUE）。OSStartHighRdy（）還必須在最高優(yōu)先級任務(wù)恢復(fù)之前和調(diào)用OSTaskSwHook（）之后設(shè)置OSRunning為TRUE。 　?。?）OSCtxSw（）、OSIntCtxSw（）：上下文切換函數(shù)任務(wù)級的切換是通過發(fā)軟中斷命令來完成的，其中斷向量地址必須指向OSCtxSw（）。中斷級的切換由OSIntExit（）通過調(diào)用OSintCtxSw（）來執(zhí)行切換功能。 　?。?）OSTickISR（）：定時中斷函數(shù)OSTickISR（）函數(shù)主要負(fù)責(zé)進(jìn)人中斷時保存處理器寄存器內(nèi)容，完成任務(wù)切換退出時恢復(fù)處理器寄存器內(nèi)容并返回，相當(dāng)于中斷服務(wù)程序的入口。 4 μc/os_Ⅱ與ShortStack的結(jié)合 　　因?yàn)棣蘡/os_Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)代碼和ShortStack應(yīng)用程序代碼的固有的特征，兩者可以有機(jī)的結(jié)合在一起。μcos_Ⅱ由系統(tǒng)服務(wù)，如郵箱、內(nèi)存管理、消息隊(duì)列、信號量管理等，對于這些服務(wù)是在OS_CFG.h定義了的，當(dāng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要使用這些服務(wù)時只需要將定義的值改為1即可。將ShortStack應(yīng)用程序中的常量定義全部放在OS_CFG.h中。這樣可以同時對操作系統(tǒng)各種服務(wù)函數(shù)和ShortStack 的API和APP函數(shù)實(shí)現(xiàn)了裁減。 　　將ShortStack應(yīng)用程序當(dāng)作μcos_Ⅱ操作系統(tǒng)的一個任務(wù)運(yùn)行。先定義堆棧，以便保存本任務(wù)在任務(wù)切換時單片機(jī)的寄存器的當(dāng)前值，當(dāng)μcos_Ⅱ下次調(diào)度到該任務(wù)運(yùn)行時就可以從堆?；謴?fù)CPU的值，從而該任務(wù)繼續(xù)運(yùn)行。程序如下： 　　OS_STK TaskStartStk[TASK_STK_SIZE]; //任務(wù)Task1的任務(wù)堆棧 　　OS_STK ShortStackStk[TASK_STK_SIZE]; //ShortStack的任務(wù)堆棧 　　…　　//其他任務(wù)堆棧 　　Void main（void） 　?。? 　　OSInit（）; 　　OSTaskCreat（Task1，（void ＊）0,& TaskStartStk[TASK_STK_SIZE-1],0）; 　　OSTaskCreat（ShortStack，（void ＊）0,& ShortStackStk[0],2）; 　　…　　//創(chuàng)建其他任務(wù) 　　OSStart（）; 　　return 0; 　?。? 　　void ShortStack（void） 　　｛ 　　lonInit（）; 　　for（; ; ） 　?。? 　　lonEventHandler（）;//周期性調(diào)用檢查是否有任何LonWorks事件要處理 　?。? 　?。? 　　由于μc/os_Ⅱ操作系統(tǒng)沒有任何的硬件驅(qū)動，所以用戶自己將ShortStack串口驅(qū)動、輸入輸出隊(duì)列操作部分?jǐn)U展為該操作系統(tǒng)的一部分。此外，系統(tǒng)可以添加其他特定的任務(wù)，通過系統(tǒng)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的合理利用，增加節(jié)點(diǎn)的實(shí)用性。如圖3所示。 　　最后，將帶有TP/FT-10F控制模塊的MSP430F149芯片接入Gizmo4開發(fā)板，通過Nodebuilder開發(fā)工具編譯，進(jìn)入調(diào)試界面，利用LonMaker連接為兩節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，測試兩節(jié)點(diǎn)是否通訊。 [align=center] 圖3 軟件結(jié)構(gòu)圖[/align] 5 結(jié)束語 　　MSP430F149是16bit的RISC微處理器，該處理器特別適用于手持式設(shè)備以及高性價(jià)比、低功耗的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它集成了中斷控制、功率控制、存儲控制、UART、PWM、ADC等豐富的資源。由于工業(yè)、家庭網(wǎng)絡(luò)化的需求，以及LonWorks總線便捷的入網(wǎng)方式，可以使該多用途智能節(jié)點(diǎn)分散自制，每個節(jié)點(diǎn)一方面分散地解決其特定的任務(wù)，另一方面通過點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)的通訊，解決節(jié)點(diǎn)之間的信息傳輸，實(shí)現(xiàn)分散基礎(chǔ)上的融合。上位機(jī)要完成對LON 網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控與管理功能，二者之間必須能進(jìn)行動態(tài)數(shù)據(jù)交換。LON 總線技術(shù)還提供了DDE Server 軟件。DDE Server 能夠?qū)崿F(xiàn)LON網(wǎng)絡(luò)和任何具有DDE 功能的Windows 應(yīng)用程序間交換網(wǎng)絡(luò)變量和信息。系統(tǒng)提供給用戶一個十分友好的人機(jī)界面，用戶可通過上位機(jī)設(shè)置各節(jié)點(diǎn)實(shí)時運(yùn)行情況以及歷史運(yùn)行記錄、打印等。 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：運(yùn)用ShortStack技術(shù)，設(shè)計(jì)了以MSP149為主處理器，Neuron芯片為微處理器的通用節(jié)點(diǎn)，與Lonworks總線實(shí)現(xiàn)通訊連接，并可擴(kuò)展多種用途，具有很好的實(shí)用和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 參考文獻(xiàn) 　　[1] David E.Simon著，陳向群等譯，嵌入式系統(tǒng)軟件教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005 　　[2] ShortStack User’s Guide，Echelon， 2002 　　[3] Jean J.Labrosse著，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 　　[4] 胡大可 MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機(jī)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社 ，2001 　　[5] 賈慧瀟，王振臣.基于LonWorks 的高性能溫濕度測控系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，8-1：30-34。