一種基于LPC1788的互聯(lián)網(wǎng)遠程智能控制系統(tǒng)

陶俊豪等

摘 要： 為實現(xiàn)激光測距系統(tǒng)的遠程控制和數(shù)據(jù)狀態(tài)信息采集，提出了一種基于LPC1788微控制器的互聯(lián)網(wǎng)智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用FreeRTOS系統(tǒng)作為遠程終端的實時操作系統(tǒng)，并基于emWin圖形用戶界面庫開發(fā)了用戶操作界面，然后使用LwIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)采集和控制通信，此外，系統(tǒng)采用微控制器自帶UART的DMA模式實現(xiàn)了遠程數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息的采集。該遠程控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，可以推廣到其他智能控制系統(tǒng)和基于物流網(wǎng)的智能家居中。

關(guān)鍵詞： LPC1788； FreeRTOS移植； Emwin移植； LwIP協(xié)議棧； 遠程控制

中圖分類號： TN302?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）21?0076?04

LPC1788?based remote intelligent control system of Internet

TAO Junhao， ZHANG Peng， CAI Fei

（Unit 63801 of PLA， Xichang 615042， China）

Abstract： To achieve remote control and data state information collection of laser range?finding system， a LPC1788?based remote intelligent control system of Internet is proposed. The FreeRTOS system is taken as the real?time operating system of remote terminal in this system. The user operation interface is developed based on emWin GUI， and then the network state acquisition and control communication are realized by using LwIP protocol stack. Moreover the acquisition of remote data and state information is realized by adopting DMA mode of the microprocessor with UART. The remote control system has simple structure， high reliability and good stability， and can be extended to other intelligent control systems and logistics?based smart home.

Keywords： LPC1788； FreeRTOS transplant； Emwin transplant； LwIP protocol stack； remote control

0 引 言

隨著Internet的廣泛應(yīng)用和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，基于互聯(lián)網(wǎng)的遠程智能控制技術(shù)引起工業(yè)界的廣泛關(guān)注，而嵌入式系統(tǒng)以其低成本、小體積、控制靈活、易集成等特點被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、智能家居等各種場合。LPC1788微控制器正是在這種情況下推出的，其集成了LCD圖像控制器和10/100M的以太網(wǎng)EMAC，主要是針對各種高級通信、高質(zhì)量圖像顯示等應(yīng)用場合，是工業(yè)自動化、銷售網(wǎng)點和醫(yī)療診斷應(yīng)用的理想選擇。因而可以用作基于互聯(lián)網(wǎng)的遠程智能控制系統(tǒng)中。

1 系統(tǒng)功能

本文提出的遠程智能控制系統(tǒng)是基于一套激光器測距系統(tǒng)的遠程控制，該激光器原有操作方式是通過機械按鈕按下與抬起方式實現(xiàn)散熱開關(guān)、發(fā)射開關(guān)、自檢開關(guān)、輸出頻率切換等功能的，并且通過RS 422/RS 485串口輸出測距和其他狀態(tài)信息。為實現(xiàn)遠程智能控制，需要設(shè)計一套人機交互的遠程控制端，實現(xiàn)測距信息和狀態(tài)的采集、水泵和發(fā)射開關(guān)以及發(fā)射頻率切換、測距過量程報警等操作。

為不改變現(xiàn)有電路系統(tǒng)，可以通過網(wǎng)絡(luò)或RS 422/RS 485工業(yè)串口控制繼電器的開合來實現(xiàn)按鈕的按下與抬起，兩者的區(qū)別在于傳輸信號的接口形式不同，而網(wǎng)絡(luò)接口可以利用現(xiàn)有Internet布線實現(xiàn)更遠距離的、更安全的信息傳遞。狀態(tài)采集方面，RS 422/RS 485串口和網(wǎng)絡(luò)接口都可以實現(xiàn)遠距離的數(shù)據(jù)交互，但是RS 422/RS 485串口形式的數(shù)據(jù)收發(fā)更簡單靈活。由于受制于現(xiàn)有激光器的電路結(jié)構(gòu)和接口形式，本文采用網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)遠程控制，而測距和狀態(tài)數(shù)據(jù)收發(fā)方面采用RS 422/RS 485串口。

在遠程控制端需要設(shè)計一個友好的人機交互終端，該終端通過以太網(wǎng)接口和RS 422/RS 485串口與遠程激光器系統(tǒng)通信，實現(xiàn)在LCD屏幕上實時顯示測距信息和狀態(tài)、按鈕的遠程觸摸顯示、觸摸屏校正等功能。為此，選擇LPC1788微控制器作為控制核心，該芯片自帶以太網(wǎng)接口、UART接口及LCD控制器，可以極大地簡化設(shè)計。由于終端需要完成網(wǎng)絡(luò)通信、信息狀態(tài)采集、信息實時顯示、按鈕觸摸控制等功能，涉及多個進程，若采用大循環(huán)模式將使代碼復(fù)雜化降低編程效率，因而此處采用操作系統(tǒng)模式完成終端程序設(shè)計；在信息狀態(tài)顯示和按鈕觸摸控制方面可以采用圖形化的界面來實現(xiàn)，以增加界面的可視性；在網(wǎng)絡(luò)通信方面可以采用嵌入式的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議；信息狀態(tài)采集方面可以采用基于UART的DMA模式實現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)的最終結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，圖形化的界面示意圖如圖2所示。

2 實時操作系統(tǒng)的移植[1?3]

為實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和串口數(shù)據(jù)的實時傳輸，需為LPC1788微控制器選擇一個合適的嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS），可供選擇的有μC/OS?Ⅲ，F(xiàn)reeRTOS，VxWorks及國產(chǎn)實時操作系統(tǒng)等，相較于其他系統(tǒng)而言，F(xiàn)reeRTOS是一個完全免費的操作系統(tǒng)，而且具有資源占用少、代碼公開、可移植、可裁剪、調(diào)度策略靈活等特點，可以方便地移植到各種單片機上。作為一個輕量級的操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRTOS提供的功能包括：任務(wù)管理、時間管理、信號量、消息隊列、內(nèi)存管理、記錄功能等，因而本文選擇以FreeRTOS 8.2.0RC1作為操作系統(tǒng)，開發(fā)環(huán)境采用Keil MDK?ARM 4.72（以下簡稱MDK）。

在FreeRTOS移植方面，由于官網(wǎng)代碼為每種處理器架構(gòu)和編譯器端口提供了預(yù)配置好的應(yīng)用例程，可以作為移植參考。FreeRTOS代碼根目錄包括兩部分，F(xiàn)reeRTOS Plus包含了除系統(tǒng)外的其他軟件單元，本文用到的代碼都在FreeRTOS目錄中。系統(tǒng)核心代碼包含在FreeRTOS/Source目錄下的tasks.c，queue.c，list.c三個文件中，從8.0.0版本加入了用于內(nèi)部任務(wù)通信和同步的event_groups.c，同目錄下完成軟件定時器和協(xié)程功能的timers.c和croutine.c為可選文件，所有實時內(nèi)核的頭文件位于FreeRTOS/Source/include目錄中。在操作系統(tǒng)接口層方面，每種支持的處理器架構(gòu)包含了一些架構(gòu)相關(guān)代碼位于FreeRTOS/Source/Portable/[compiler]/[architecture]子目錄下，對應(yīng)基于Cortex?M3內(nèi)核的LPC1788在MDK下接口文件為port.c和portmacro.h。此外，在任務(wù)、隊列、互斥量、軟件定時器以及時間組創(chuàng)建時需要內(nèi)核分配內(nèi)存，系統(tǒng)提供了5種內(nèi)存分配策略位于FreeRTOS/Source/Portable/MemMang子目錄下，其中heap_1.c只分配不收回，采用數(shù)組方式分配內(nèi)存；heap_2.c采用最佳擬合算法和鏈表分配內(nèi)存但是不合并相鄰內(nèi)存塊，可以實現(xiàn)動態(tài)創(chuàng)建、刪除任務(wù)和隊列；heap_3.c使用編譯器自帶malloc（）和free（）函數(shù)實現(xiàn)申請和釋放內(nèi)存；heap_4.c采用首次適配法對回收的內(nèi)存塊進行合并以減少碎片，本文即采用此種方式；heap_5.c除了實現(xiàn)和heap_4.c一樣的功能外，還可以在不連續(xù)堆棧的內(nèi)存堆進行內(nèi)存分配。

在完成以上代碼文件移植的基礎(chǔ)上，還需要在應(yīng)用的根目錄下為應(yīng)用加入一個自定義的配置文件Free? RTOSConfig.h，需配置內(nèi)容可在官網(wǎng)查閱，其主要實現(xiàn)內(nèi)核的配置和裁剪，如是否采用搶占式調(diào)度、任務(wù)最大優(yōu)先級、時鐘和滴答頻率、是否使用鉤子函數(shù)、互斥量、二值信號量、任務(wù)通知、堆棧溢出檢測等以及處理器中斷優(yōu)先級位等。此外，MDK可以將調(diào)試輸出信息通過printf（）函數(shù)重定向到串口或者JTAG的ITM端口，實現(xiàn)調(diào)試信息可視化。若要實現(xiàn)此功能，需在工程文件中加入Retarget.c和Serial.c兩個文件（在MDK安裝目錄下可找到），然后定義一個打印信號互斥量以便各個任務(wù)都可以通過重定向的端口打印調(diào)試信息。完成上述文件的移植后就可以創(chuàng)建任務(wù)并啟動任務(wù)調(diào)度函數(shù)，創(chuàng)建任務(wù)時需注意設(shè)置合理的?？臻g，當(dāng)前任務(wù)的?？臻g剩余情況可以通過uxTaskGetStackHighWaterMark（）函數(shù)檢查。

3 顯示系統(tǒng)及emWin圖形用戶界面[4?5]

智能化的遠程控制系統(tǒng)除能進行通信控制外還需要一個友好的人機交互界面，為此本文選擇7寸電阻觸摸屏進行人機交互的設(shè)計。電阻觸摸屏的選擇一方面是由降低設(shè)計復(fù)雜性決定的，另一方面是出于保證長時間工作穩(wěn)定性的考慮。由于很多誤差源如電子噪聲、比例系數(shù)及機械不同軸性會影響觸摸坐標值，因此需要對觸摸屏系統(tǒng)進行校正，考慮到控制系統(tǒng)對按鈕位置準確度要求高，校正選擇tslib五點式校正算法?？刂葡到y(tǒng)除了顯示按鈕以外，還需要顯示測距信息和狀態(tài)，并以曲線圖的方式顯示，為提高開發(fā)效率和智能化水平，選擇emwin圖形用戶界面。

emwin圖形用戶界面是以C語言編寫的界面，由圖形庫、字體庫、窗口管理器、控件小工具和PC工具等組成，它能提供高效且獨立于處理器和顯示器的圖形用戶界面，用于任何使用圖形進行操作的應(yīng)用。其與單任務(wù)和多任務(wù)環(huán)境、專用操作系統(tǒng)或任何商業(yè)RTOS兼容，可以適用于任何尺寸的、具有任何控制顯示器和CPU的物理和虛擬顯示器。為便于用戶開發(fā)，恩智浦公司基于LPC1788微控制器對emwin進行了預(yù)編譯生成了emwin庫文件，開發(fā)時用戶只需要從恩智浦軟件論壇LPCWARE.COM下載壓縮包就可以獲得相關(guān)源文件、說明書、輔助設(shè)計工具和板級支持例程（BSP），本文使用的版本為5.24h。

移植時需要加入庫文件、配置文件和頭文件。對于MDK編譯器的庫文件位于NXP＼emWin＼emWin_library＼Keil目錄下，名為emWin_M3.lib，配置文件位于NXP/emWin/emWin_Config目錄下，頭文件位于NXP/emWin/emWin_header目錄下。在目標系統(tǒng)上使用emWin之前，需要對軟件進行配置。配置過程詳見恩智浦軟件官網(wǎng)說明書，其包括GUI配置和LCD配置，GUI配置是對可用功能、默認顏色、字體以及可用存儲器進行配置；LCD配置需要定義顯示器物理尺寸、顯示驅(qū)動和顏色轉(zhuǎn)換程序。

移植完成后，為實現(xiàn)圖2所示的界面，使用窗口管理器創(chuàng)建兩個窗口，一個窗口用于放置控制，另一個窗口放置窗口對象（小工具），包括GRAGPH圖形小工具、文本小工具、編輯小工具。在進行觸摸校正時，使用GUI_SaveContext（）函數(shù)保存上下文，然后使用WM_InvalidateWindow（）和WM_HideWindow（）函數(shù)隱藏窗口，在完成屏幕校正后使用WM_ShowWindow（）和WM_ValidateWindow（）函數(shù)恢復(fù)窗口并使用GUI_RestoreContext（）恢復(fù)上下文。此外，為支持漢字顯示可以使用GUI_UC_SetEncodeUTF8（）函數(shù)開啟外語支持，emWin的Tool子目錄含有U2C.exe可以將UTF?8轉(zhuǎn)換為C編碼，然后在需要顯示漢字字符串的按鈕上使用BUTTON_SetText（）函數(shù)就可以支持漢字按鈕。

4 LWIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧[6?8]

LPC1788微控制器以太網(wǎng)模塊包含了一個10 Mb/s或100 Mb/s以太網(wǎng)媒體訪問控制器，通過DMA硬件加速來優(yōu)化性能。以太網(wǎng)物理接口通過標準的MII或簡化的MII（RMII）接口連接外部PHY芯片，本文采用RMII接口連接LAN8720i芯片對外通信，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧采用針對嵌入式系統(tǒng)的LwIP輕量級協(xié)議棧。LwIP在保證嵌入式產(chǎn)品擁有完整TCP/IP功能的同時，又能保證協(xié)議棧對處理器資源的有限消耗，其運行一般只需要幾十KB的RAM和40 KB左右的ROM。為提高開發(fā)效率，恩智浦提供了LwIP 1.4.0的源碼、以太網(wǎng)底層驅(qū)動文件LPC17_emac.c以及PHY芯片LAN8720的驅(qū)動，用戶可以從恩智浦軟件論壇LPCWARE.COM下載lwip_lpc?v1.10.zip壓縮包獲得相關(guān)代碼和例程。

在移植帶FreeRTOS操作系統(tǒng)模擬層時，移植的文件除lwip_lpc＼lwip?1.4.0＼src文件夾下的源文件外，需要自己編寫的文件包括cc.h（主要完成協(xié)議棧內(nèi)部使用的數(shù)據(jù)類型定義）、lwipopts.h（完成協(xié)議棧內(nèi)核的參數(shù)配置）、sys_arch.c以及sys_arch.h（為協(xié)議棧提供郵箱、信號量等機制），這些文件在例程中均有參考代碼，需要指出的是，以太網(wǎng)描述數(shù)組必須將內(nèi)存定義到用于存儲外設(shè)數(shù)據(jù)的片上SRAM或連接到外部存儲控制器的SDRAM才能保證描述符和控制符正常收發(fā)數(shù)據(jù)。

在完成上述移植之后就可以創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)初始化任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)了，初始化代碼如下：

board_setup）； //RMII端口（GPIO）初始化

tcpip_init（tcpip_init_done_signal，（void *） &tcpipdone）；

//創(chuàng)建tcpip_thread進程

while （！tcpipdone） { vTaskDelay（1）； }

IP4_ADDR（&gw，192，168，1，1）；

IP4_ADDR（&ipaddr，192，168，1，232）；

IP4_ADDR（&netmask，255，255，255，0）；

netif_add（&lan8720， &ipaddr， &netmask， &gw， NULL， lpc_enetif_init，tcpip_input）； //添加網(wǎng)絡(luò)接口

netif_set_default（&lan8720）；

netif_set_up（&lan8720）； //建立連接

NVIC_SetPriority（ENET_IRQn，9）； //中斷優(yōu)先級設(shè)定

NVIC_EnableIRQ（ENET_IRQn）；

sys_thread_new（"tcpecho_thread"， lwip_task， NULL，DEFAULT_THREAD_STACKSIZE， DEFAULT_THREAD_PRIO）；

while （1） {

lpc_phy_sts_sm（&lan8720）； //PHY芯片狀態(tài)更新

vTaskDelay（300）；}

在網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)中，LPC1788與網(wǎng)絡(luò)繼電器采用UDP協(xié)議進行通信，代碼如下：

IP4_ADDR（&net_relay，192，168，1，25）； //網(wǎng)絡(luò)繼電器地址

conn = netconn_new（NETCONN_UDP）；

conn?>recv_timeout=100； //接收超時選項

netconn_bind（conn， IP_ADDR_ANY，7）； //綁定端口

while （1） {

while（！（lan8720.flags & NETIF_FLAG_LINK_UP） ） vTaskDelay（50）；

netconn_connect（conn， &net_relay，1883）；

buf_snd=netbuf_new）；

data = netbuf_alloc（buf_snd， 2）；

netconn_send（conn， buf_snd）； //發(fā)送網(wǎng)絡(luò)命令

netbuf_free（buf_snd）；

netconn_recv（conn， &buf_recv）； //接收返回參數(shù)

vTaskDelay（10）；

netbuf_copy（buf_recv， recv[0]， buf_recv?>p?>tot_len）；

netbuf_delete（buf_recv）；

netbuf_delete（buf_snd）；

}

5 基于UART?DMA的數(shù)據(jù)傳輸

LPC1788的通用DMA控制器支持外設(shè)到存儲器、存儲器到外設(shè)和存儲器之間的傳輸，使用通用異步收發(fā)器的DMA模式可以極大減少處理器負荷，加速傳輸速度。而使用恩智浦軟件論壇提供的標準固件庫可以進一步提高開發(fā)效率。LPC1788的UART還可以工作在RS 485模式，要使用DMA方式需要完成端口功能配置、初始化UART及FIFO，GPDMA初始化、設(shè)定中斷優(yōu)先級、設(shè)定DMA工作參數(shù)、使能中斷和相應(yīng)通道，在中斷函數(shù)給出接收任務(wù)的信號量并關(guān)閉相應(yīng)通道，在任務(wù)中每接收一次數(shù)據(jù)都要重新設(shè)定下一次DMA接收的工作參數(shù)并使能通道。在任務(wù)接收到中斷給出的信號量之后需要發(fā)數(shù)據(jù)給圖像顯示進程顯示激光測距機的狀態(tài)信息等參數(shù)。

6 結(jié) 語

本文提出了一種基于LPC1788的智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)遠程控制和狀態(tài)參數(shù)接收，因而可以推廣應(yīng)用到基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居和其他智能控制系統(tǒng)中。

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