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1、溫度控制應(yīng)用管理 第一章概述 1.1引言 嵌入式系統(tǒng)被定義為：以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。實際上嵌入式系統(tǒng)是計算機的一種應(yīng)用形式，是將先進的計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，具有軟件代碼小、高度自動化、響應(yīng)速度快等特點。因此它是一個技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。特別適合于要求實時的和多任務(wù)的系統(tǒng)。 從美國微軟發(fā)布"維納斯計劃"白皮書到中國中科院推出的"女媧計劃"，整個世界仿佛在一夜之間掀起了嵌入式開發(fā)與應(yīng)用的熱潮，人們開始關(guān)注嵌入式技術(shù)的發(fā)

2、展和應(yīng)用情況。嵌入式系統(tǒng)的研究和開發(fā)也隨之走入了高校和研究所，成為人們的學(xué)科，并且相應(yīng)地開發(fā)出了嵌入式操作系統(tǒng)，嵌入式瀏覽器和嵌入式數(shù)據(jù)庫等產(chǎn)品。在當前數(shù)字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的后PC本課題基于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用，利用嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計方法及測試技術(shù)，結(jié)合RTOS的選取原則，選用了源碼公開的嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II，結(jié)合實際應(yīng)用，設(shè)計了一個實現(xiàn)對多點溫度進行控制的嵌入式系統(tǒng)。 復(fù)雜的微機控制系統(tǒng)使用常規(guī)的順序程序設(shè)計方法加上中斷來實現(xiàn)功能是比較困難的，主要體現(xiàn)在以下幾個方面： (1).實時性差：由于計算機在處理中斷時，一般不允許響應(yīng)低級和同級中斷，為了提高實時性，要求中斷

3、處理程序盡量短。但是有許多實時操作的處理比較復(fù)雜，需要較長的CPU執(zhí)行時間。如果用中斷來完成這些處理，則在處理時，無法響應(yīng)低級或同級中斷。如果采用中斷置標志的方法，讓主程序來進行處理，則一方面會增加程序的復(fù)雜性，另一方面也難以做到實時處理，因為主程序不可能在執(zhí)行其它程序時，隨時去檢查這些標志位而轉(zhuǎn)向不同的處理程序。 (2).難以實現(xiàn)并行操作的相互通信：在功能較強的實時系統(tǒng)中，除了主程序有時需要與中斷間進行信息交換外，各個并行操作之間有時也需相互通信。這些用常規(guī)方法是難以實現(xiàn)的。 (3).結(jié)構(gòu)復(fù)雜、移植性差、維護困難：單片微機功能的復(fù)雜化，使軟件越來越復(fù)雜，特別是為了實現(xiàn)并行操作，需使用大量

4、的中斷和標志，使程序結(jié)構(gòu)十分混亂，難以設(shè)計和調(diào)試。同時由于程序采用線性結(jié)構(gòu)，使得程序難于修改或者移植，因此缺乏靈活性、通用性和可維護性。 為了解決以上的問題，可以把應(yīng)用軟件按所完成的功能分成一個個獨立的、但可以并行運行的任務(wù)，如串行口通信任務(wù)、數(shù)據(jù)采集任務(wù)、數(shù)據(jù)計算任務(wù)、定時打印任務(wù)等。這樣，整個應(yīng)用軟件有各個任務(wù)所組成，設(shè)計、調(diào)試時可分別進行。修改時只可修改個別任務(wù)即可，從而提高了軟件的可移植性。為了提高系統(tǒng)的可靠性，并有效地實現(xiàn)任務(wù)間的相互通信，當應(yīng)用程序處理的任務(wù)較多，尤其要求同時執(zhí)行兩個以上的工作和任務(wù)時，在軟件設(shè)計中引入實時多任務(wù)操作系統(tǒng)(RealTimeOperatingSyst

5、em,RTOS)將非常必要。 提倡在嵌入式應(yīng)用中使用RTOS的最主要原因是提高系統(tǒng)的可靠性。長期以來，在國內(nèi)傳統(tǒng)的開發(fā)方式是：針對某一應(yīng)用，畫程序流程圖、編制應(yīng)用程序。通常是線性程序，此機制的優(yōu)勢在于流程直觀。這種方法的缺點是：除中斷服務(wù)程序以外，各程序模塊沒有優(yōu)先級的區(qū)別，被主循環(huán)簡單地輪轉(zhuǎn)調(diào)用，實時性差，響應(yīng)時間無法預(yù)料；而且，當一個任務(wù)申請不到資源，或循環(huán)過程中由于某種原因無法跳出循環(huán)時，其他任務(wù)將得不到響應(yīng)，當程序很小時，雖然可通過設(shè)置Watchdog，利用中斷等方法來解決上述矛盾。如果程序變得較大，將大大增加開發(fā)時間和調(diào)試難度，復(fù)雜度不堪想象。正是上述的缺點，在干擾嚴重的情況下，系

6、統(tǒng)安全性差。另一重要原因是提高開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期。 系統(tǒng)中引入RTOS之后，有RTOS完成任務(wù)管理、任務(wù)間通信、中斷管理等功能。嵌入式系統(tǒng)中的多任務(wù)操作系統(tǒng)在應(yīng)用系統(tǒng)啟動后，首先運行的是背景程序，用戶的應(yīng)用程序是運行于其上的各個具體任務(wù)，多任務(wù)操作系統(tǒng)允許靈活地分配系統(tǒng)資源目前就成本而言，在較長的一段時間，很多測控應(yīng)用領(lǐng)域，微處理器只需8位或16位單片機就可勝任,對于這樣低端的產(chǎn)品開發(fā)，要完成較復(fù)雜的任務(wù)，可采用微內(nèi)核的多任務(wù)操作系統(tǒng)如μC/OS-II、RTX、CMX等來完成軟件設(shè)計。在應(yīng)用中，已經(jīng)能夠明顯減少系統(tǒng)的軟件設(shè)計工作量，并提高了系統(tǒng)的可靠性。 考慮到系統(tǒng)實際應(yīng)用，在硬件設(shè)計

7、方面，微控制器選用了臺灣Syncmos公司生產(chǎn)的8位微控制器SM5964,它是80C52微控制器家族的派生產(chǎn)品，其強大的片內(nèi)資源，只需選用少量的外圍器件即可實現(xiàn)系統(tǒng)的要求。溫度測量利用Pt（100Ω）熱敏電阻，測量的模擬信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后送入微處理進行處理。模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用凌特公司(LinearTechnology)推出的20位無延遲模數(shù)轉(zhuǎn)換器LTC2430，此模塊可直接對測量的毫伏級信號進行處理，并能夠達到精度要求。其它也選用了與通信和輸出控制相關(guān)的器件。 軟件的設(shè)計基于軟件開發(fā)平臺μC/OS-II，它是由Labrosse先生編寫的一個開放式內(nèi)核，最主要的特點就是源碼公開，此RTOS的

8、更多優(yōu)點在第三章有詳細論述。一方面它是免費的，另一方面用戶可以根據(jù)自己的需要對它進行修改。由于它沒有功能強大的軟件包，基于具體應(yīng)用需要自己編寫驅(qū)動程序，為使其能夠正常工作，要根據(jù)具體的硬件平臺完成相應(yīng)的移植工作。μC/OS-II是一個占先式的內(nèi)核，即已經(jīng)準備就緒的高優(yōu)先級任務(wù)可以剝奪正在運行的低優(yōu)先級任務(wù)的CPU使用權(quán)。這個特點使得它的實時性比非占先式的內(nèi)核要好。在設(shè)計中，給予不同任務(wù)不同的優(yōu)先級，提高了系統(tǒng)的實時性。對溫度控制方面，采用了一種基于時間最優(yōu)控制的PID算法實現(xiàn)對溫度控制。 除了實現(xiàn)對溫度的采集、處理、控制之外，本課題一方面利用SM5964的ISP功能，實現(xiàn)了PC機利用ISP技

9、術(shù)進行對系統(tǒng)遠程加載和升級。另一方面，利用RS232串行通信技術(shù)，實現(xiàn)了PC機與系統(tǒng)的通信，并可對系統(tǒng)進行遠程控制。從而實現(xiàn)了微機控制系統(tǒng)中主從式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 1.4論文的章節(jié)安排 論文的結(jié)構(gòu)及內(nèi)容安排如下： 第一章概述 概述部分由嵌入式系統(tǒng)成為當今IT行業(yè)又一熱點開始，結(jié)合當前微機控制領(lǐng)域存在的問題，論述了在此領(lǐng)域引入嵌入式操作系統(tǒng)的必要性，引出課題的意義。最后給出課題的實現(xiàn)方案。 第二章嵌入式系統(tǒng) 本章首先對嵌入式系統(tǒng)的歷史進行論述，引出其當前的定義，并提出了RTOS所要解決的幾個問題。然后提出了嵌入式系統(tǒng)的兩大組成部分：嵌入式處理器和嵌入式實時操作系統(tǒng)，分析了當前嵌入式處理

10、器的分類以及當前流行嵌入式操作系統(tǒng)的特點。最后論述了嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工具及應(yīng)用狀況，并對嵌入式系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢加以展望。 第三章系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境及相關(guān)技術(shù) 本章根據(jù)第二章的論述，結(jié)合課題的需要，首先對系統(tǒng)選用的主控芯片SM5964的特性進行了介紹，并根據(jù)嵌入式操作系統(tǒng)的選取原則，對系統(tǒng)選用的RTOS---μC/OS-II的特點進行了論述。然后根據(jù)系統(tǒng)實際應(yīng)用介紹了對實時內(nèi)核進行的擴展。最后，闡述了系統(tǒng)設(shè)計中使用的嵌入式系統(tǒng)軟/硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)和測試技術(shù)。 第四章系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 本章中論述了本課題的核心，詳細論述了實現(xiàn)對多點溫度進行控制的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計。從對系統(tǒng)的硬件設(shè)計進行論述開始

11、，然后完成根據(jù)具體的硬件平臺進行操作系統(tǒng)的移植工作。最后對系統(tǒng)的軟件設(shè)計進行了詳細的闡述，在軟件設(shè)計中，把系統(tǒng)的軟件分成人機交互、串行通信、溫度的測量及控制、遠程加載等四大模塊，并對每一?？斓木唧w實現(xiàn)進行了詳細論述。 第五章PC側(cè)程序的設(shè)計 本章中論述了對系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控和ISP功能主控側(cè)程序的實現(xiàn)，模擬實現(xiàn)了主從式微機控制系統(tǒng)主控方的程序設(shè)計。首先論述了VC++對多線程的支持以及多線程編程中的關(guān)鍵問題，然后詳細闡述了主機側(cè)通信功能和ISP功能的設(shè)計。 第六章系統(tǒng)的擴展及總結(jié) 本章簡要介紹了在系統(tǒng)中實現(xiàn)文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)功能的方法，對整個課題給予總結(jié)。 第二章嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)

12、展和應(yīng)用是現(xiàn)代信息社會的一個重要特征，已經(jīng)被用于各行各業(yè)，也深入地影響到人們的生活和工作，本章較為全面地介紹和研究了嵌入式系統(tǒng)的基本概念和原理，并對嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展方向和趨勢作一定的論述，對于了解嵌入式系統(tǒng)及其開發(fā)和研究將起到一定的作用。 2.1嵌入式系統(tǒng)的基本概念 2.1.1嵌入式系統(tǒng)的歷史 雖然嵌入式系統(tǒng)是近幾年才風靡起來的，但從20世紀70年代單片機的出現(xiàn)到今天各式各樣的嵌入式微處理器、微控制器的大規(guī)模應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)有近30年的發(fā)展歷史。作為一個系統(tǒng)，往往是在硬件和軟件雙螺旋式交替發(fā)展的支撐下逐漸趨于穩(wěn)定和成熟，嵌入式系統(tǒng)也不例外。 嵌入式系統(tǒng)最初的應(yīng)用是基于單片機的。20

13、世紀70年代單片機的出現(xiàn)，使得汽車、家電、工業(yè)機器、通信裝置以及成千上萬種產(chǎn)品可以通過內(nèi)嵌電子裝置來獲得更佳的使用性能，更容易使用，更快、更便宜。這些裝置已經(jīng)初步具備嵌入式的應(yīng)用特點，但是這時的應(yīng)用只是使用8位的芯片，執(zhí)行一些單線程的程序，還談不上"系統(tǒng)"的概念。 從80年代早期開始，嵌入式系統(tǒng)的程序員開始用商業(yè)級的"操作系統(tǒng)"編寫嵌入式應(yīng)用軟件，這使得開發(fā)人員可以進一步縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本并提高開發(fā)效率。1981年，ReadySystem開發(fā)出世界上第一個商業(yè)嵌入式實時內(nèi)核（VTRX32）。這個實時內(nèi)核包含了許多傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的特征，包括任務(wù)管理、任務(wù)間通信、同步與相互排斥、中斷支持、內(nèi)存管理、時鐘管理等功能。如IntegratedSystemIncorporation(ISI)(現(xiàn)已被風河公司收購)的pSOS和WindRiver(風河)的VxWorks、QNX公司的QNX等。這些嵌入式操作系統(tǒng)都具有嵌入式的典型特點：系統(tǒng)內(nèi)核很小，具有可裁減性、可擴充性和可移植性，可以移植到各種處理器上；較強的實時性和可靠性，適合嵌入式應(yīng)用。這些嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得應(yīng)用開發(fā)人員從小范圍的開發(fā)中解放出來，同時也促使嵌入式有了更為廣闊的應(yīng)用空間。