嵌入式系统在多点温度控制中的应用(一)(2)
2016-01-31 01:05
导读：灵活性、通用性和可维护性。 为了解决以上的问题，可以把应用软件按所完成的功能分成一个个独立的、但可以并行运行的任务，如串行口通信任务、数
灵活性、通用性和可维护性。
为了解决以上的问题，可以把应用软件按所完成的功能分成一个个独立的、但可以并行运行的任务，如串行口通信任务、数据采集任务、数据计算任务、定时打印任务等。这样，整个应用软件有各个任务所组成，设计、调试时可分别进行。修改时只可修改个别任务即可，从而提高了软件的可移植性。为了提高系统的可靠性，并有效地实现任务间的相互通信，当应用程序处理的任务较多，尤其要求同时执行两个以上的工作和任务时，在软件设计中引入实时多任务操作系统(Real Time Operating System,RTOS)将非常必要。
提倡在嵌入式应用中使用RTOS的最主要原因是提高系统的可靠性。长期以来，在国内传统的开发方式是：针对某一应用，画程序流程图、编制应用程序。通常是线性程序，此机制的优势在于流程直观。这种方法的缺点是：除中断服务程序以外，各程序模块没有优先级的区别，被主循环简单地轮转调用，实时性差，响应时间无法预料；而且，当一个任务申请不到资源，或循环过程中由于某种原因无法跳出循环时，其他任务将得不到响应， 当程序很小时，虽然可通过设置Watchdog ，利用中断等方法来解决上述矛盾。如果程序变得较大，将大大增加开发时间和调试难度，复杂度不堪想象。正是上述的缺点，在干扰严重的情况下，系统安全性差。另一重要原因是提高开发效率，缩短开发周期。
系统中引入RTOS之后，有RTOS完成任务管理、任务间通信、中断管理等功能。嵌入式系统中的多任务操作系统在应用系统启动后，首先运行的是背景程序，用户的应用程序是运行于其上的各个具体任务，多任务操作系统允许灵活地分配系统资源（中央处理器、存储器等等）给各个任务，各程序模块（或者任务）就如同中断程序一样并行运行，这样就可以简化那些复杂而且时间要求严格的工程的软件设计，同时也提高了可靠性。
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目前较流行的嵌入式实时多任务操作系统国外主要有VxWorks、QNX、pSOS、Windows CE 等。另外，国内也有许多自主开发的实时操作系统，如科银京成（CoreTek）公司的嵌入式软件开发平台DeltaSystem,中科院推出的Hopen嵌入式操作系统，
浙江大学自主研制开发的全中文的嵌入式操作系统HBOS系统等。这些操作系统性能优越，易于移植，但均属于商业操作系统，需支付昂贵的版税。另外也有两个优秀的自由软件操作系统是μC/OS-II和嵌入式Linux，它们也具有相当好的性能，且源代码开放，免费使用,以上这些操作系统大多都有完善的开发环境和工具。用户在进行嵌入式系统的设计时，根据具体应用和实际情况，选择适合自己的实时操作系统。
1.3 课题的实现
（本课题基于嵌入式系统的开发及应用，利用嵌入式系统的设计方法及测试技术，结合RTOS的选取原则，选用了源码公开的嵌入式实时操作系统μC/OS-II，结合实际应用，设计了一个实现对多点温度进行控制的嵌入式系统。）
目前就成本而言，在较长的一段时间，很多测控应用领域，微处理器只需8 位或16位单片机就可胜任,对于这样低端的产品开发，要完成较复杂的任务，可采用微内核的多任务操作系统如μC/OS-II、RTX、CMX等来完成软件设计。在应用中，已经能够明显减少系统的软件设计工作量，并提高了系统的可靠性。
考虑到系统实际应用，在硬件设计方面，微控制器选用了台湾Syncmos公司生产的8位微控制器SM5964, 它是80C52 微控制器家族的派生产品，其强大的片内资源，只需选用少量的外围器件即可实现系统的要求。温度测量利用Pt（100Ω）热敏电阻，测量的模拟信号经模数转换模块转换后送入微处理进行处理。模数转换器选用凌特公司(Linear Technology)推出的20位无延迟模数转换器LTC2430，此模块可直接对测量的毫伏级信号进行处理，并能够达到精度要求。其它也选用了与通信和输出控制相关的器件。
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软件的设计基于软件开发平台μC/OS-II，它是由Labrosse先生编写的一个开放式内核，最主要的特点就是源码公开，此RTOS的更多优点在第三章有详细论述。一方面它是免费的，另一方面用户可以根据自己的需要对它进行修改。由于它没有功能强大的软件包，基于具体应用需要自己编写驱动程序，为使其能够正常工作，要根据具体的硬件平台完成相应的移植工作。μC/OS-II是一个占先式的内核，即已经准备就绪的高优先级任务可以剥夺正在运行的低优先级任务的CPU使用权。这个特点使得它的实时性比非占先式的内核要好。在设计中，给予不同任务不同的优先级，提高了系统的实时性。对温度控制方面，采用了一种基于时间最优控制的PID算法实现对温度控制。
除了实现对温度的采集、处理、控制之外，本课题一方面利用SM5964的ISP功能，实现了PC机利用ISP技术进行对系统远程加载和升级。另一方面，利用RS232串行通信技术，实现了PC机与系统的通信，并可对系统进行远程控制。从而实现了微机控制系统中主从式控制系统结构。
1.4 论文的章节安排
论文的结构及内容安排如下：
概述
概述部分由嵌入式系统成为当今IT行业又一热点开始，结合当前微机控制领域存在的问题，论述了在此领域引入嵌入式操作系统的必要性，引出课题的意义。最后给出课题的实现方案。
嵌入式系统
本章首先对嵌入式系统的历史进行论述，引出其当前的定义，并提出了RTOS所要解决的几个问题。然后提出了嵌入式系统的两大组成部分：嵌入式处理器和嵌入式实时操作系统，分析了当前嵌入式处理器的分类以及当前流行嵌入式操作系统的特点。最后论述了嵌入式系统的开发工具及应用状况，并对嵌入式系统的未来发展趋势加以展望。
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系统的开发环境及相关技术
本章根据第二章的论述，结合课题的需要，首先对系统选用的主控芯片SM5964的特性进行了介绍，并根据嵌入式操作系统的选取原则，对系统选用的RTOS ---μC/OS-II的特点进行了论述。然后根据系统实际应用介绍了对实时内核进行的扩展。最后，阐述了系统设计中使用的嵌入式系统软/硬件协同设计技术和测试技术。
系统的设计与实现
本章中论述了本课题的核心，详细论述了实现对多点温度进行控制的嵌入式系统的设计。从对系统的硬件设计进行论述开始，然后完成根据具体的硬件平台进行操作系统的移植工作。最后对系统的软件设计进行了详细的阐述，在软件设计中，把系统的软件分成人机交互、串行通信、温度的测量及控制、远程加载等四大模块，并对每一模快的具体实现进行了详细论述。
PC侧程序的设计
本章中论述了对系统进行远程监控和ISP功能主控侧程序的实现，模拟实现了主从式微机控制系统主控方的程序设计。首先论述了VC++对多线程的支持以及多线程编程中的关键问题，然后详细阐述了主机侧通信功能和ISP功能的设计。
系统的扩展及总结
本章简要介绍了在系统中实现文件系统和网络功能的方法，对整个课题给予总结。
第二章 嵌入式系统
嵌入式系
