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title: 基于cortex M4内核空调实时控制系统
description: 基于cortex M4内核空调实时控制系统
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摘要

目前，物联网技术越来越发达，各种芯片、传感器都如雨后春笋层出不穷，空调的功能也越来越多。本文设计了一种基于cortex M4内核的实时操作系统，解决空调在具有非常复杂功能的情况下的逻辑处理和防堵塞的问题。该控制系统硬件单元由嵌入式M4内核的32位芯片等模块组成，软件单元采用免费、开源的FreeRTOS实时操作系统，能够提高软件系统的实时性，并通过降低阻塞来保证软件的稳定性。

前言

空调的智能化发展越来越迅速，早期空调仅有模式、温度、风速、定时、风向等几个功能点，而现在不仅这些功能的控制要更加精确，也添加了很多的传感器，例如温度传感器、TVOC传感器、二氧化碳传感器、PM2.5传感器等等，基于这些传感器，空调可以感知到用户家中各类环境温度，从而通过程序判断自动进入某种进程；加上通过WIFI、蓝牙等通信网络，和其他家里的家电组成“物联网”，这就是如今空调的智能化方向。但是，要实现越来越复杂的功能，必定需要越来越高的硬件平台需求，以及越来越复杂的软件系统和越来越多的异常处理，本文介绍了一种基于cortex M4内核的实时操作系统，以一种高稳定性和高实时性的方式让空调的智能化更加稳定，并且给未来的更多功能预留了大量的程序空间。

M4内核优势

①性能较强

M4内核的处理器均采用32位架构，外部存储空间能够达到4G，基本的程序空间也能达到512K甚至1M，工作频率高达84MHZ，超频工作情况下，能达到168MHZ，是如今空调使用的20MHZ处理器运算速度的8倍。

如今很多空调的主控芯片为了降本，将程序flash不断压缩，已经难以规划出足够的RAM开发新的功能了，而采用M4内核的32位处理器则可以很好的解决这个问题。

②性价比高

如今的M4内核处理器已经不仅限于ST一家独大，国产处理器，如兆易创新GD32、灵动微MM32、华大HC32等产品也参考了STM32的设计模式，设计出了Pin对Pin的芯片产品，能够直接替换进口新品，并且其价格相对进口新品更低，也能获得足够的技术支持。

③外设资源丰富

M4内核处理机有非常丰富的资源，例如大量串口（可复用）、IIC、CAN、IIS、SDIO等等，为以后空调智能化提供了极大的发展空间。

实时操作系统

实时操作系统是通过任务调度、任务优先级区分来达到实时性目的的操作系统。其相对于现在的“裸机运行”的空调程序来讲，有极大的提升。如今的空调控制系统中，不可避免的在主函数中使用一个while(1)循环，来包含程序要运行的所有的内容，但是不可避免的，程序在运行或是通信过程中，会出现一些delay()函数或是_nop_();函数，这些函数的存在让程序运行更有规律，但是同样造成了CPU资源的浪费，所有的程序都在一个串行的结构下运行，实时性得不到保障。同时如今的空调软件已经非常复杂或是臃肿，在后期越来越多的功能出现时，软件的迭代升级将变得极为困难。因此我们不得不引入实时操作系统来改善我们的软件生态。

如今市面上有许多较为成熟的实时操作系统，例如FreeRTOS、μcosII等等。在这里我们选择FreeRTOS作为空调控制系统，此系统市场占有率很高，并且由于其开源和免费特性，FreeRTOS技术在不断改进，用户数量在不断增多，兼容性也越来越强。

空调任务调度

将如今的空调程序分解，大致分为如下功能：掉电数据读取、模式状态判断、步进电机控制、初始化、蜂鸣器、显示通信计时、WIFI延时处理、红外解码、故障处理、记忆数据处理、按键检测、按键处理、显示屏发送、显示屏接收、WIFI发送、WIFI接收、室温接收、睡眠键处理、节能处理、干燥处理、睡眠运行、自动柔风、自检运行、显示屏数据处理、模式运行、显示屏故障计时、WIFI故障计时、定时开机、定时关机。可见基础功能已经有了很复杂的逻辑，并且由于系统在一条串行的线路上运行，还需要对系统时间进行校准、处理异常发生。

将while(1)循环中各个功能的处理转化为不同任务，可以将同一功能整合，例如故障处理和故障显示计时可直接合并为故障处理，在任务调度系统中会自动处理堵塞关系，不必担心计时时任务堵塞导致其他功能失效。

具体任务优先级示例如表1所示。

表1 任务优先级

| 序号 | 任务 | 优先级 |
| —- | ———— | —— |
| 1 | 掉电数据读取 | 6 |
| 2 | 模式状态判断 | 3 |
| 3 | 步进电机控制 | 2 |
| 4 | 初始化 | 5 |
| 5 | 蜂鸣器 | 4 |
| 6 | 显示通信 | 3 |
| 7 | WIFI通信 | 4 |
| 8 | 红外解码 | 4 |
| 9 | 传感器接收 | 1 |
| 10 | 自动柔风 | 2 |
| 11 | 自检运行 | 2 |
| 12 | 智能功能 | 2 |
| 13 | 故障处理 | 2 |
| 14 | 定时功能 | 1 |

​ 由于任务调度系统自身防堵塞的特性，可以直接将所有功能（包括其计时、延时）放入任务函数内，而不用担心其占用CPU时间而导致系统时间出错或无法执行其他功能，同一优先级的功能会共同占用CPU时间，也就是说会并行运行。暂时不调用的函数可以使用相应的API使其进入挂起状态，不占用CPU资源。

​ 并且如果有需要再加的新功能，只需要定义任务优先级，创建任务，并不需要担心过多的逻辑处理。

FreeRTOS移植

在FreeRTOS官方网站上找到FreeRTOS V9.0.0版本，此版本使用人数最多，并且没有后期更新版本后的很多没有必要的功能，整改代码源文件较为精简。

使用M4内核可直接从下载的压缩包中的Demo文件夹中找到相应的工程文件，但是由于这些demo工程文件相对较为复杂，我们只选取其中最为核心的部分。

工程内容截图如图1所示

图1 工程文件内容

主要步骤可概括为：

1)复制FreeRTOS必要核心文件

2)修改FreeRTOSConfig.h头文件

3)指定头文件路径

4)修改stm32f4xx_it.c中断服务函数

如图1所示：需要的文件包括croutine.c、event_group.c、list.c、queue.c、tasks.c、timers.c、heap_4.c、port.c以及FreeRTOSConfig.h。

其中，src文件夹主要包含了FreeRTOS中通用的头文件和C文件，是大部分FreeRTOS函数定义的位置，由于采用了大量的宏定义，修改后也适用于各种处理器和编译器，。

Port文件夹中则是存放内存相关、处理器架构的代码，同样也是从官方文件拷贝过来。

FreeRTOSConfig.h则是从Demo文件夹中，相应的处理器例程中拷贝过来，再在Keil中指定头文件路径。这个头文件中我们可以对一些我们需要的功能进行宏定义。

最后配置SysTick 中断服务函数， FreeRTOS由于其开源特性，经过了长时间的发展后，已经很容易与各类芯片内核匹配，我们只需要注释掉库文件中的PendSV_Handler()与SVC_Handler()这两个函数，因为FreeRTOS文件中自适应匹配了M4内核这两个函数的功能。

部分代码展示

//task1任务函数
void task1_task(void *pvParameters)
{
    u8 task1_num=0;
    while(1)
    {
        task1_num++;   //任务执1行次数加1
        subMainKeyRead();    // 按键检测处理
        subMainKeyHandle();  // 按键功能处理
        printf("任务1已经执行：%d次\r\n",task1_num);
        if(task1_num==5) 
        {
            if(Task2Task_Handler != NULL)                     
            {
                vTaskDelete(Task2Task_Handler);
                Task2Task_Handler=NULL;      
                printf("任务1删除了任务2!\r\n");
            }
        }
    }
    vTaskDelay(1000);             
}

```C
//task2任务函数
void task2_task(void *pvParameters)
{
    u8 task2_num=0;
    while(1)
    {
        task2_num++;    
        subMainModeRun();               
        printf("任务2已经执行：%d次\r\n",task2_num);
        vTaskDelay(1000);                        
    }
}

```c
//主函数调用
void main()
{
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);
        delay_init(168);                    
        uart_init(115200);
xTaskCreate((TaskFunction_t )start_task,            
                (const char*)"start_task",          
                (uint16_t)START_STK_SIZE,        
                (void*)NULL,                  
                (UBaseType_t)START_TASK_PRIO,       
                (TaskHandle_t* )&StartTask_Handler);                
vTaskStartScheduler();
}

```c
//任务创建函数
void start_task(void *pvParameters)
{
    taskENTER_CRITICAL();         
    xTaskCreate((TaskFunction_t )task1_task,             
                (const char*)"task1_task",           
               (uint16_t)TASK1_STK_SIZE,        
                (void*)NULL,                  
            (UBaseType_t)TASK1_TASK_PRIO,        
            (TaskHandle_t*)&Task1Task_Handler);   
    xTaskCreate((TaskFunction_t )task2_task, 
                (const char*)"task2_task",   
                (uint16_t )TASK2_STK_SIZE,
                (void*)NULL,
            (UBaseType_t)TASK2_TASK_PRIO,
            (TaskHandle_t*  )&Task2Task_Handler); 
    vTaskDelete(StartTask_Handler); 
    taskEXIT_CRITICAL();            
}

总结

本文将空调主控芯片更换为更为强大的M4内核处理器，运行速度是传统空调的8倍，RAM空间提升至8倍大小。并且搭载FreeRTOS实时操作系统，极大避免了CPU资源的浪费；相对于传统空调的“裸机”系统，有以下优点：

\1) 高实时性，由于其任务堵塞机制的存在，CPU资源不会被延时函数或任务卡死等情况浪费，响应速度相对于“裸机”系统有很大的提升

2)高内聚、低耦合：符合软件开发的开发原则，任务定义好后便于移植。

3)高并发性，相对于“裸机”系统的串行处理方式，实时操作系统将任务区分优先级，高优先级的任务能够打断低优先的任务，同一优先级的任务共同使用CPU资源

\4) 高开发效率，由于FreeRTOS市场占有率极高并且开源，很多厂商都对此操作系统进行了优化，将很多软件常用功能进行封装，我们只需要调用相关API，不用做过多的开发。

5)可发展范围广、空间大，很多厂商的软件只能在操作系统上运行，乐鑫、TI提供的一些关于WIFI的SOC SDK。

参考文献

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