定時器管理模塊的實現(xiàn)及在無線傳感器網(wǎng)絡中的應用

引言

定時器是通信協(xié)議正常運行的基本要素之一，主要用于各種定時和幀重傳的任務。通信協(xié)議在單片機系統(tǒng)上實現(xiàn)所使用的定時器，定時精度要求不高，但數(shù)量要求比較大。由于硬件資源有限，不可能為每一個單獨任務分配一個硬件定時器，只能通過單個硬件定時器模擬多個軟件定時器的方法，來滿足協(xié)議中的定時應用需要。

用一定的數(shù)據(jù)結構將這些軟件定時器組織起來，并提供統(tǒng)一的調(diào)用接口，稱為“定時器管理”。目前定時器管理主要有2種實現(xiàn)方法：

①靜態(tài)數(shù)組法。將定時器節(jié)點存儲在數(shù)組中。優(yōu)點是邏輯簡單，占用ROM較少。但這種方案有明顯的缺點：當硬件定時器中斷發(fā)生時，要對所有定時器節(jié)點進行減法操作，時間開銷很大，且時延不確定（與定時器數(shù)目相關）。

②delta鏈表法。按照定時器的定時值升序排列，形成鏈表。后一個定時器的定時值是前面所有定時器的值加上本節(jié)點的值。這樣，在每次的時鐘中斷處理中，只需對第1個定時器節(jié)點進行減法操作，大大減少了時間開銷。但是，該方案邏輯復雜，ROM用量大，需要頻繁分配回收內(nèi)存，容易形成內(nèi)存碎片。

1 定時器管理模塊的設計

定時器管理模塊的設計基于靜態(tài)數(shù)組法。使用一個定時器節(jié)點數(shù)組來保存所有的定時請求，數(shù)組的每一項代表一個可用的定時器節(jié)點。每一個定時器節(jié)點都有一個狀態(tài)項，表示該定時器正處于空閑、使用或溢出狀態(tài)。定時器的定時值和定時器超時后要發(fā)送的消息也存儲在定時器節(jié)點中，從而實現(xiàn)用一個硬件定時器為用戶提供多個軟件定時器。

為了解決中斷處理時間開銷大的問題，在模塊中引入一個輔助定時器，輔助定時器的值總是等于所有定時器節(jié)點中的最小定時值。在硬件定時器中斷處理中，僅對輔助定時器進行減法操作，從而大大縮短了中斷處理的時間。設計原理如圖1所示。

2 定時器管理模塊的實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)結構和函數(shù)接口

定時器管理模塊使用的相關數(shù)據(jù)結構定義如下：

字段state保存了定時器節(jié)點的狀態(tài)，可能取值為空閑（T_FREE）、使用 （T_INUSE）或溢出（T_OVERFLOW）。

字段count保存了定時器節(jié)點的定時值，最大取值為65 535。如果設置硬件定時器中斷為10 ms，則軟件定時器最大定時約為655 s，可以滿足大多數(shù)應用需要。

字段msg指向定時器的用戶消息。在啟動定時器時，指向消息的指針被保存在此字段。當定時時間結束后，中斷處理函數(shù)會自動發(fā)出這個消息以通知用戶任務。

由于數(shù)組的下標是唯一的，可作為識別節(jié)點的唯一ID號。下文中提到的節(jié)點ID號均表示節(jié)點在數(shù)組中的下標。

MAX_TIMER_NUM表示系統(tǒng)允許的最大定時器數(shù)，其值取決于具體應用需要。

本模塊提供的關鍵接口函數(shù)如下：

2.2定時器的初始化

使用定時器管理模塊前，需要進行定時器的初始化。主要是初始化定時器節(jié)點數(shù)組，將每一個定時器節(jié)點設置為空閑狀態(tài)，同時將輔助定時器置零，輔助ID指向0xFF（表示空）。

2.3定時器的啟動

啟動一個定時器，主要是將節(jié)點數(shù)組中一個空閑狀態(tài)的節(jié)點置為使用狀態(tài)。如果這個新啟用的定時器，是所有定時器中定時值最小的，還要更新輔助定時器。函數(shù)以指向定時器消息的指針和定時值為參數(shù)，啟動定時器流程如圖2所示。成功啟動定時器后，返回該定時器節(jié)點的ID號。

2.4定時器的刪除

在目標定時器到期之前，由于某種原因用戶可能會要求取消定時器。如重發(fā)定時器，用戶在發(fā)送數(shù)據(jù)幀后啟動該定時器，并等待對方返回響應幀。如果在定時時間結束時沒有收到響應幀，用戶就需要重發(fā)原數(shù)據(jù)幀；如果在定時時間結束之前收到響應幀，用戶就需要馬上取消該定時器，然后進行下一次通信過程。

刪除定時器函數(shù)以定時器節(jié)點ID號作為輸入?yún)?shù)，將定時器節(jié)點設為空閑狀態(tài)，并根據(jù)需要更新輔助定時器，流程如圖3所示。

2.5定時器的驅(qū)動

軟件定時器的驅(qū)動由硬件定時器提供。在硬件定時器中斷中，首先將輔助定時器的值減1。如果輔助定時器值為0，則表示定時值最小的定時器已經(jīng)超時，應將對應的消息發(fā)送給用戶任務，將節(jié)點置為空閑狀態(tài)，并重新計算其他節(jié)點的定時值，同時查找定時值最小的節(jié)點，更新輔助定時器。驅(qū)動流程如圖4所示。

關鍵代碼如下：

結語

本文設計的定時器管理器模塊，具有邏輯簡單、效率高的特點，在實驗室自主研發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡中得到應用。在共包含30個節(jié)點的溫、濕、光信息采集系統(tǒng)中，使用該定時器管理模塊的無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議運行高效、穩(wěn)定。

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