（计算机应用技术专业论文）嵌入式实时操作系统在温度测量系统中的应用研究.pdf

摘要 随着半导体技术的发展，以单片机为主体，将计算机技术与测量控制技术结合起来 组成的智能仪表在生产中得到了广泛的应用。这些智能仪表自身带有微处理器，在结构 上自成一体，能独立进行测试，使用灵活方便，仪表的功能主要由系统软件决定。嵌入 式实时系统作为计算机应用的一个崭新领域，以其简洁、高效等特点越来越多地受到人 们的广泛关注。在智能仪表中移植嵌入式实时操作系统使得仪表的功能更加灵活，并且 使软件开发变得规范、容易测试，有利于实现模块化编程和缩短开发周期。 工业生产中温度是最基本的检测参数之一。温度的检测和控制直接和安全生产、产 品质量、生产效率、节约能源等重大技术指标相联系。由于温度仪表的重要性，温度检 测类仪表的研制和创新一直受到广泛的关注。本文以温度巡检仪为对象，对智能仪表和 嵌入式实时操作系统的特点、现状和发展趋势进行了论述，详细的介绍了温度巡检仪的 系统功能和硬件设计，对嵌入式实时操作系统在智能仪表上的使用和软件实现进行了研 究。在温度巡检仪中采用了s m a l lr t o s 5 1 嵌入式实时操作系统作为软件开发平台，研 究s m a l lr t o s 5 1 的在m c s 一5 l 芯片上的移植、配置和裁剪，分析使用嵌入式实时操作 系统的优势。系统软件设计时按照软件工程的方法对系统进行结构设计，根据系统需求 对系统进行功能分解和任务划分。文中还对在s m a l lr t o s 5 1 软件开发平台上各种外设 芯片驱动程序的实现，以及在保证系统的实时性的前提下对测温元件的热电势韫度函 数关系的软件线性化处理方法进行了研究。最后对影响系统实时性和仪表测量精度的因 素进行了分析。 科学技术的不断发展对温度的检测和控制要求不断提高，主要表现在精度、响应速 度、系统稳定性以及适应能力等方面。在温度巡检仪中移植嵌入式实时操作系统可方便 的使用软件的方法对仪表的功能和行为进行控制，缩短了智能仪表的开发周期，提高了 仪表的稳定性、可靠性和可维护性。本仪器的设计和实现，是一次有意义的成功的尝试， 对国产电力智能仪器仪表的技术进步有一定的参考价值。 关键字：嵌入式实时操作系统；s m a l lr t o s 5 1 ；单片机；智能化；温度测量 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y ，t h e i n t e l l i g e n t a p p a r a t u sw h i c hm a i n l yc o n s i s t so fam i c r o c o n t r e l l e r ，c o m b i n e dw i t hc o m p u t e r t e c h n o l o g ya n dm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yh a sb e e nw i i d l yu s e di np r o d u c t i o n s u c h i n t e l1i g e n ta p p a r a t u s e sh a v em c ub yt h e m s e l v e sa n dc a nb et e s t e da l o n ea n du s e d c o n v e n i e n t l y ，t h ef u n c t i o no ft h ea p p a r a t u s e sa r ed e c i d e db yt h es y s t e ms o f t w a r e a sab r a n d n e wf i e l do fc o m p u t e ra p p li c a t i o n ，t h ee m b e d d e dr e a l t i m eo sd r a w s m o r ea n dm o r ep e o p l e sa t t e n t i o nb e c a u s eo fi t ss i m p l i c i t y ，h i g h e f f i c i e n c y a n do t h e rf e a t u r e s r e p l a n t i n gt h ee m b e d d e dr e a l t i m eo si n t ot h ei n t e l l i g e n t a p p a r a t u s e sm a k et h ef u n c t i o nm o r ef l e x i b l ea n dt h ed e v e l o p m e n to fs o f t w a r em o r e r e g u l a r ，a n dr e a l i z ep r o g r a mm o d u t a r i z e da n ds h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tt i m e t e m p e r a t u r e i so n eo ft h eb a s i cp a r a m e t e r sm o n i t o r e di ni n d u s t r i a l m a n u f a c t u r e t h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lo ft e m p e r a t u r ei sr e l a t i v et os a f e t y ， p r o d u c tq u a l i t y ，p r o d u c ee f f i c i e n c y ，s a v i n ge n e r g y b e c a u s eo ft h ei m p o r t a n c e o f t e m p e r a t u r ea p p a r a t u s ，t h ed e v e l o p m e n ta n di n n o v a t i o no ft e m p e r a t u r e a p p a r a t u sa r ea l w a y sc o n c e r n e d b e i n gt h eo b j e c tt h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lo f t e m p e r a t u r e ，i nt h et h e s i st h ef e a t u r e ，c u r r e n ts t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt e n d e n c y o fi n t e l l i g e n ta p p a r a t u sa n dr e a l t i m ea r es t a t e di nd e t a i l s ，t h es y s t e mf u n c t i o n a n d t h eh a r d w a r e d e s i g n o f t e m p e r a t u r ec y c l i n gm e a s u r i n ga p p a r a t u s a r e i n t r o d u c e di nd e t a i l sa n dt h ea p p l c a t i o no ft h ee m b e d d e dr e a l t i m e0 si n i n t e l li g e n ta p p a r a t u sa n dt h ei m p l e m e n to fs o f t w a r ea r er e s e a r c h e d s m a l1r t o s 5 1 b e i n ga d o p t e da st h es o f t w a r ep l a t f o r mi nt e m p e r a t u r ec y c l i n gm e a s u r i n g a p p a r a t u s ，t h er e p l a n t i n g ，c o n f i g u r a t i o na n ds c a l i n go fs m a l lr t o s 5 1b e i n gu s e d i nm c s 一5 1a r es t u d i e da n dt h ea d v a n t a g e so fu s i n ge m b e d d e dr t o sa r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h em e t h o do ft h es o f t w a r ee n g i n e e r i n gd e s i g nt h es t r u c t u r e ，t h e f u n c t i o n sa r ed e c o m p o s e da n dt a s k sa r ep a r t i t i o n e da c c o r d i n gt os y s t e m r e q u i r e m e n t s a l s o t h ed r i v e rr e a l i z a t i o no fp e r i p h e r a lc h i p sb a s e do ns m a l l r t o s 5 1s o f t w a r ep l a t f o r ma n dt h em e t h o do fs o f t w a r e1 i n e a r i z a t i o nh a n d l e ro f t h ef u n c t i o n a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nv o l t a g ea n dt e m p e r a t u r ea st h er e a l t i m e q u a l i t yo fs y s t e mp r e c o n d i t i o ni ss t u d i e di nt h et h e s i s f i n a l l y ，t h ef a c t o r s w h i c hi n f l u e n c et h er e a l t i m ep e r f o r m a n c eo fs y s t e ma n dm e a s u r e m e n tp r e c i s i o n i i o fa p p a r a t u sa r ea n a l y z e d t h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ym a k e sm e a s u r e m e n ta n d c o n t r o lr e q u i r e m e n t si n c r e a s e d ，m a i n l yb e i n gi n c a r n a t e di nt h ep r e c i s i o n ，t h e r e s p o n s ed e l a y ，t h es y s t e mr e l i a b i l it ya n ds oo n p l a n t i n gr e a l t i m eo s i n t o t e m p e r a t u r ec y c li n gm e a s u r i n ga p p a r a t u sm a k e st h ec o n t r o lo fa c t i o na n df u n c t i o n o fa p p a r a t u sb yu s i n gt h em e t h o do fs o f t w a r ee a s y ，s h o r t e n st h ed e v e l o p m e n t p e r i o d ，e n h a n c e st h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t ya n dm a i n t a i n a b i l i t y t h ed e s i g n a n di m p l e m e n to ft h ea p p a r a t u si sam e a n i n g f u la n ds u c c e s s f u la t t e m p ta n do f c e r t a i nv a l u e i th a sc e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ef o rt h et e c h n o l o g yp r o g r e s so f d o m e s t i ci n t e l l i g e n te l e c t r i ci n s t r u m e n t k e yw o r d ：e m b e d d e dr e a l t i m e0 s ：s m a l lr t o s 5 1 ：m c u ：i n t e l l i g e n c e ：t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t i i i 独创性声明 本人声明。所呈交的论文是本人在导师指导下迸行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或 正书雨使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 签名：文， 龙日期：，j i 芯 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有衩保留、送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：经作者同意学校可阻公布论文的全部或部分内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 酶易1 臌轹哟魄刚刷 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 嵌入式系统是用来控制或监视机器、装置或工厂等大规模系统的设备，它 是电脑软件和硬件的综合体；是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件 可裁减，从而能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格 要求的专用计算机系统。一般来说，嵌入式系统不能使用通用计算机，而且运 行的是固化的软件，终端用户很难或者不可能改变固件。嵌入式系统被应用到 网络、手持通信设备、国防军事、消费电子和自动化控制等各个领域。 随着嵌入式处理器能力的提高和应用程序功能的复杂化和精细化，应用程 序必然要划分为多个重要性不同的任务，在任务间优化地分配c p u 时间和系统 资源，同时还要保证实时性。靠用户自己编写一个满足以上要求的内核一般是 不现实的，而这种需求又是相当普遍的。在这种形势之下，由专业人员编写满 足大多数用户需要的高性能实时操作系统( r t o s ) 内核成为一种必然。在采用 微控制器的智能仪表中移植实时操作系统可为系统提供一个硬件抽象层( h a l ) ， 它屏蔽了底层的细节，向用户提供一套系统调用接口，有利于扩充仪表的功能、 缩短开发周期、减少开发难度、提高系统的可维护性、稳定性和可靠性。 1 2 课题研究的现状及发展趋势 仪器仪表的发展可以简单地划分为三代。第一代为指针式仪器仪表，如指 针式万用表、功率表等。它们的基本结构是电磁式的，基于电磁测量原理使用 指针来显示最终的测量结果。第二代为数字式仪器仪表，如数字电压表、数字 功率计、数字频率计等。它们的基本结构采用模数转换，并以数字方式显示 或打印测量结果。第二代仪表响应速度较快，测量准确度较高。第三代就是智 能式仪器仪表，这类仪器仪表的主要特征是内含微处理器，因此，通常具有信 息采集、数据处理、输出控制及测试过程和测试结果显示、记录、传输自动进 行等功能。有的智能仪器还能辅助专家进行推理、分析或决策“1 。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 1 智能仪表的现状及发展现状 1 2 1 1 国外智能化仪器的现状及发展趋势 智能化仪器是7 0 年代提出的新概念。自美国b o o n t o n 公司于1 9 7 3 年开发 出第一台内装4 位微处理器的电容电桥智能仪器以来，各种智能仪器大量涌现。 如美国f i n n i g a n 公司的9 6 1 0 智能色谱仪中的程序控温部件采用i n t e l 8 0 0 8 微 处理器芯片和相应接口软件实现，大大提高了仪器的可靠性和分辨率。分析表 明，国外智能化仪表发展的主要特点如下”3 ： 高度智能化，多功能和综合应用的智能仪器日益普遍； 智能仪器、仪表拥有通信功能，能遥控诊断信息； 按国际上制定的串行总线的规约，将由两三台智能仪器组成一个类似自 动测试系统的复杂智能化仪器： 智能仪器的改进和更新换代频繁，一种仪器的生命力长则3 5 年。短 则不足1 年； 智能仪表在国外发展的另一特点就是个人仪器的出现。个人仪器是在智 能仪器基础上，将原智能仪器中的测量部分配上相应的接口电路制成各种仪器 电路板卡，插入到p c 的总线插槽或扩展箱内，充分利用了p c 机的软件和硬件 资源，从而极大地降低了成本，大幅度缩短了研制周期，显示出广阔的发展前 景。 1 2 1 2 国内智能化仪器的现状及发展趁势 随着计算机技术、微处理器技术在我国的发展和普及，推动了我国智能化 仪器、仪表的发展。我国智能化仪器的发展，首先是对现行的传统仪器、仪表 在添加微处理器后进行改造，使之实现了智能化。目前，我国智能仪器、仪表 的发展特点如下。1 ： 目前我国智能化仪器、仪表的发展还只是把微处理器及微型计算机与普 通仪器初步结合起来，但已显示出极大的生命力和优越性，开发潜力很大： 在不断推出的智能化仪器、仪表中，以工业在线自动化控制仪器、仪表 为主，其它方面的经济型智能化仪器还较少； 国内智能化仪器中使用的微机容量基本上是8 位，而且多数是单片微机 的智能仪器； 在我国，智能化仪器、仪表所占比重在1 0 以下，普及应用率较低，而 2 武汉理工大学硕十学位论文 且开发侧重面在硬件，软件方面开发较少。 目前，研制生产的厂家多、品种多，但产量少，更新换代慢。 智能化仪器的发展在我国起步较晚，但发展极为迅速，其开发潜力巨大， 市场极其广阔，已成为国内仪器、仪表行业今后发展的主导产品。大量的资料 表明，我国智能化仪器、仪表目前开发研制的侧重点是工业在线过程控制仪表， 这也是国内智能化仪器竞争和发展的主流。然而在当今智能化仪器、仪表种类 繁多和微处理器技术革新几乎渗透到了每个行业的情况下，它的开发就应根据 市场信息的需求，面向那些覆盖面较大，应用较广的领域。智能仪器总的趋势 朝着以下几个方面发展： 在一台仪器中使用单片c p u 的观念正在打破，多个c p u 协调工作，可 使仪器、仪表具有更加优异的性能，这对发展大型、高速、精密的智能禊8 量仪 器尤为重要。 由计算机技术和通信技术相结合而发展的计算机网络也将渗透到智能 仪器中，通过通信线路可将那些设备费用昂贵、利用率低的大型精密仪器与多 个用户联接，由多用户共享用此类仪器设备，从而产生巨大的经济效益，同时 也将测量结果送至上一级的标准中心，以进行测量数据对比。 发展专家系统技术，使仪器具有更高级的智能。 1 2 2 嵌入式实时操作系统的现状及发展趋势 1 2 2 1 嵌入式实时操作系统的现状 随着社会的日益信息化，嵌入式系统的应用日益广泛，从飞机到移动电话 都有嵌入式系统的存在。在嵌入式系统的应用开发中，嵌入式实时操作系统 ( r t o s ) 是核心软件，就像我们日常所用计算机的桌面系统中微软公司的 w i n d o w s 一样重要。当前r t o s 在嵌入式系统设计中的主导地位已经确定，越来 越多的工程师使用r t o s ，更多的新用户愿意购买而不是自己开发。目前，嵌入 式操作系统的品种较多，其中较为流行的有：v x w o r k s 、u c o s i i 、w i n d o w sc e 、 p a l mo s 、r t l i n u x 、p s o s 、p o w e r t v 以及m i c r o w a r e 公司的o s 一9 。 r t o s 的发展有以下一些特点”3 ： r t o s 自身结构的设计要易于移植，以便支持多种微处理器。 开放源码之风已波及r t o s 厂家。数量相当多的r t o s 厂家出售r t o s 时 就附加了源程序代码。 3 武汉理工大学硕士学位论文 后p c 时代更多的产品使用r t o s ，它们对实时性要求并不高，如手持设 备等。微软公司的w i n c e 、p l a mo s 、j a v ao s 等r t o s 产品就是顺应这些应用而 开发出来的。 电信设备、控制系统要求的高可靠性，对r t o s 提出了新的要求。瑞典 e n e a 公司的o s e 和w i n d r i v e r 新推出的v x w o r k a e 对支持h a ( 高可用性) 和热 切换等特点都下了一番功夫。 嵌入式l i n u x 已经在消费电子设备中得到应用。韩国和日本的一些企业 都推出了基于嵌入式l i n u x 的手持设备。嵌入式l i n u x 得到了相当广泛的半导 体厂商的支持和投资，如i n t e l 和m o t o r o l a 。 1 2 2 2 嵌入式实时操作系统发展趋势 未来r t o s 的应用可能划分为3 个不同的领域。1 ： 系统级：指r t o s 运行在一个小型的计算机系统中完成实时的控制作用。 这个领域将主要是微软与s u n 竞争之地，传统上u n i x 在这里占有绝对优势。s u n 通过收购，让他的s o l a r i s 与c h r o u so s ( 原欧洲的1 种r t o s ) 结合，微软力 推n t 的嵌入式版本”e m b e d d e dn t ”。此外，嵌入式l i n u x 将依托源程序码开放 和软件资源丰富的优势，进入系统级r t o s 的市场。 板级：传统的r t o s 的主要市场。如v x w o r k ，p s o s ，q n x ，l y n x 和v r t x 的应用将主要集中在航空航天、电话电讯等设备上。 s o c 级( 即片上系统) ：新一代r t o s 的领域：主要应用在消费电予、 互联网络和手持设备等产品上。代表的产品有s y m b i a n 的釉o c 、a t i 的n u c l e u s ， e x p r e s sl o g i c 的t h r e a d x 。老牌的r t o s 厂家的产品v r t x 和v x w o r k 也很注意 这个市场。 从某种程度讲，不会出现一个标准的r t o s ( 像微软的w i n d o w s 在桌面系统 中的地位一样) ，因为嵌入式应用本身就极具多样性。在某段时间以及某种行 业，会出现一种绝对领导地位的r t o s ，比如在宽带的数据通信设备中的v x w o r k 和在亚洲手持设备市场上的w i n c e 。但是，这种垄断地位也并不是牢不可破的， 因为在某种程度上用户和合作伙伴更愿意去培养一个新的竞争对手。比如， i n t e l 投资的m o n t i v i s t a 和m o t o r o l a 投资的l i n e o ，这两家嵌入式l i n u x 系统， 就是说明半导体厂商更愿意看到一个经济适用的、开放的r t o s 环境。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本课题研究内容及意义 1 3 1 研究内容 根据温度巡检仪的特点本课题的研究内容为： 嵌入式实时操作系统的移植、系统的配置和裁剪； 系统中任务的划分及信号量使用策略； 嵌入式系统设备驱动； 温度测量系统中的线性化问题： 嵌入式操作系统的实时性，微控制器的有限资源对实时性的影响。 1 3 2 研究意义 过去在一个嵌入式系统所控制的外设不多，采用前后台结构即可满足要求。 随着应用的复杂化，一个嵌入式系统可能要同时控制和监视很多外设，系统内 有多个任务处理，各个任务之间通过通信来协调工作，并要求较高的实时性。 在这种多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行合理调度是保证每 个任务及时执行的关键。在前后台系统中时间性很强的关键操作靠中断服务来 保证，但中断服务提供的信息要等到后台程序运行到处理该信息的代码处时才 能得到处理，因此处理信息的及时性取决于整个循环执行的时间，其实时性较 差。目前，嵌入式应用领域的软件发展倾向就是采用嵌入式实时多任务操作系 统。嵌入式实时操作系统的主要职责之一就是任务调度，系统内的任务根据其 重要程度的不同被赋予不同的优先级，所有对时间要求苛刻的事件都会得到较 高的优先级，在内核的调度下得到了尽可能快捷、有效的处理，从而提高系统 的实时性和可靠性。此外，嵌入式实时操作系统使得实时应用程序的设计和扩 展变得容易，有利于仪表的二次开发；以r t o s 为软件开发平台，把设计分割为 若干独立的任务，应用程序的设计过程大为简化；通过r t o s 所提供的有效的服 务，如信号量、邮箱、队列、延时和超时等，系统资源得到更好的利用。因此， 在嵌入式系统中使用实时操作系统对提高嵌入式系统的实时性和可靠性、缩短 开发周期和减小后期维护的难度具有重要的意义。 5 武汉理t 大学硕士学位论文 第2 章温度巡检仪系统功能和硬件设计 2 1 系统功能描述 该仪表是采用大规模集成电路的智能仪表，由多点温度传感器和二次仪表 组成。温度传感器可以使用各种不同分度号的热电阻和热电偶，互换性强、测 试范围大。仪表可以同时巡回检测1 6 个不同分度号的温度测点，并可根据用户 要求可扩大到6 4 个点。传感器型号的设定和仪表运行参数的修改均可在安装现 场通过键盘操作控制。整个仪表没有一个电位器，所有的校准和配置均由软件 完成。它能根据不同的测点类型自动完成冷端补偿、数据滤波、线性化等功能， 充分体现了智能化的优势。 2 2 系统模块划分 根据仪表所要实现的功能和防止信号间的干扰将整个系统划分为三个模 块：主控制模块、i o 模块和显示模块。系统结构框图如图2 - 1 ： ： i o 模块： 主控制模块 显示模块 传感器信号 输入通道选 择开关 缝电器报警 输出 e e p r o m 屠门期 电压检滔 冷蚺补偿 显示，键盘接口 电路 器l i 藉 图2 - 1 系统结构框图 主控制模块是系统的核心，主要负责选择数据采集通道、信号调理、对输 入数据进行分析处理、实时监控系统温度对各种异常进行报警、电源监视、对 热电偶进行冷端补偿、向显示模块发送显示数据。主控制模块能监控用户输入 6 武汉理工大学硕士学位论文 并根据用户输入信息调整系统参数。 i o 模块在主控制模块的控制下将检测信号经输入通道选择开关送给主控 制模块的信号调理转换器和在温度异常时输出报警信号。 显示模块主要负责显示键盘接口，显示检测的测点号和相应的温度，并在 温度异常时进行l e d 报警。 2 3 硬件实现 2 3 1 主控制板 按照工程设计方法，嵌入式系统的设计可以分成三个阶段：分析、设计和 实现。分析阶段是确定要解决的问题及需要完成的目标；设计阶段主要是解决 如何在给定的约束条件下完成用户的要求；实现阶段主要是解决如何在所选择 的硬件和软件的基础上进行整个软、硬件系统的协调实现“1 。在分析阶段结束后， 通常开发者面临的一个棘手的问题就是硬件平台和软件平台的选择，因为它的 好坏直接影响着实现阶段的任务完成。 通常硬件和软件的选择包括：处理器、系统外设芯片、操作系统、编程语 言、软件开发工具、硬件调试工具、软件组件等。在上述选择中，处理器通常 是最重要的。处理器的选择往往会限制操作系统的选择，操作系统的选择又会 限制开发工具的选择。 2 3 1 1 微控制器的选择 在嵌入式系统的硬件设备中，嵌入处理器是整个系统的核心部件，其性能 的好坏直接决定整个系统的运行效果。在嵌入式处理器市场中，中低端的4 位、 8 位和1 6 位处理器依然存在，高性能的3 2 位处理器也有很多产品。面对市场上 种类繁多的微控制器，设计者在选择处理器时要考虑的主要因素有”“： 应用需求：面向应用是嵌入式系统的特色，具体的应用需求决定着嵌入 式处理器的性能选型。需求分析后，需要定义产品具备的基本功能和性能指标， 如系统数据量大小和实时性要求、系统正常运行时的工作环境、系统的尺寸大 小和功耗指标等。 处理性能：一个处理器的性能取决于多个方面的因素，如时钟频率，内 部寄存器的大小，指令是否对等处理所有的寄存器等。对于嵌入式系统设计来 说，目标不是在于挑选速度最快的处理器，而是在于选取能够完成作业的处理 7 武汉理工大学硕士学位论文 器和i 0 子系统。 技术指标：当前，许多嵌入式处理器都集成了外围设备的功能，减少了 芯片的数量，降低了整个系统的开发费用。开发人员首先考虑的是，系统所要 求的一些硬件能否无需过多的胶合逻辑( g l ，g l u el o g i c ) 就可以连接到处理器 上。其次是考虑该处理器的一些支持芯片，如d m a 控制器，内存管理器，中断 控制器，串行设备、时钟等的配套。 功耗：嵌入式微处理器最大并且增长最快的市场是手持设备、电子记事 本、p d a 、手机、g p s 导航器、智能家电等消费类电子产品。这些产品中选购的 微处理器，典型的特点是要求高性能、低功耗。如果用于工业控制，则对这方 面的考虑较弱。 软件支持工具：仅有一个处理器，没有较好的软件开发工具的支持也是 不行的，因此选择合适的软件开发工具对系统的实现会起到很好的作用。 生产规模：如果生产规模比较大，可以自己设计和制备硬件，这样可以 降低成本。反之，最好从第三方购买主板和t o 板卡。 用于工业现场的以测量控制为主要目的的单片机，其大多数测控参数如温 度、压力、流量等对于运算速度和数据容量的要求则相对有限。在单片机的主 振频率己很高时，其数据处理速度己退居控制功能之后。因此用于工业控制的 单片机并不急于增加数据总线的宽度，而是注重其控制功能和控制运行的可靠 性。由于8 位单片机的价格低，适用范围广，在智能化测量控制仅表领域内有 着十分广阔的应用。 a t 8 9 c 5 2 是一种采用m c s - 5 1 内核的低功耗、高性能的c m o s 微控制器。芯片 内有8 k b y t e 的片内f l a s h 和2 5 6 b y t e 的片内r a m ，及定时器、u a r t 等片内外设， 具有功能全面、体积小、可靠性强、功能强、价格低等特点，特别适合于实时 控制、智能仪表等领域。并且，m c s - 5 1 系列单片机开发工具较为完善，大量的 设计资源可以继承和共享，是工业检测、控制领域中最理想的8 位单片机“8 。 因此，本课题中选用m c s 一5 1 系列单片机a t 8 9 c 5 2 作为仪表的核心部件。 2 3 ，1 2 数据采集模块设计 本温度巡检仪的模拟输入通道用于采集热敏元件的模拟信号，所接热敏元 件主要是热电阻和热电偶( 缺省配用传感器为k 型、e 型热电偶，p t l 0 0 、c u 5 0 热电阻) ，它们的输入信号在o - - 8 0 m v 之间，而且是慢速变化信号。仪表的测 量温度范围为各测点所配传感器号的有效全量程( - - 2 7 2 1 7 0 0 y ：) ，仪表显示 8 武汉理工大学硕士学位论文 精度为4 位有效数，最多一位小数( 0 i ) 。 仪表中将一个模拟信号转换为数字量的设备为模数转换器( a d c ) ，a d c 有 两个主要参数：采样率和分辨率。采样率是每秒采样的个数，即模拟输入信号 被转换为数字码的频率。采样频率对信号的量化结果有非常大的影响，影响到 对转换结果的处理。通常的采样频率高于信号最高频率的两倍( 奈奎斯特频率) 。 如果采样频率低于奈奎斯特频率，采样结果将会失真“。对于温度的监测，通 常并不关心温度信号是如何变化的，只关心在某些特定的时间间隔上有一定精 度的温度值，并且温度是慢速变化信号，所以温度巡检仪表中对采样率的要求 并不高。分辨率决定每次采样的精确度。对给定的温度范围和精度要求，应选 择合适的分辨率的a d c 。对测温范围- - 2 7 2 “1 7 0 0 和精度要求为0 i 的传感 器有( 1 7 0 0 + 2 7 2 ) x 2 0 = 3 9 4 4 0 有意义的电压级，因此应选用一个1 6 位的a d c 。 a d 7 7 0 5 是专为宽动态范围测量、工业控制或工艺控制中的低频信号的转换 而设计的高分辨率、高集成度和低价格的a d c ，主要应用于低频测量的双通道的 模拟前端。a d 7 7 0 5 片内带数字滤波、静态r _ a m 的校准微控制器和时钟振荡器， 该器件可以接受直接来自传感器的低电平的输入信号，然后产生串行的数字输 出。利用一( 过采样) 转换技术实现了1 6 位无丢失代码性能。选定的输入信 号被送到一个基于模拟器的增益可编程专用前端。片内数字滤波器处理调制器 的输出信号。通过片内控制寄存器可调节滤波器的截止点和输出更新速率，从 而对数字滤波器的第一个陷波进行编程。a d 7 7 0 5 有二个全差分模拟输入和一个 双向串行三线接口，与s p i 、o s p i 和m i c r o n i r e 兼容。输入可选增益为1 1 2 8 ， 允许接收单极性信号或双极性信号。当基准输入电压为2 5 v 时允许接受 o m v “+ 2 0 m v 和o v + 2 5 v 之间的单极性信号或2 0 m v 至2 5 v 范围内的双极性信 号( 信号过零) 。由于采用一结构实现模数转换，使得该器件在噪音环境 下能免受干扰，其噪声性能比积分a d c 要好。输入信号首先经过一个基于模拟 调制器的增益可编程专用前端，片内数字滤波器处理调制器的输出信号。通过 对片内控制寄存器编程，可根据信号噪声频率调节滤波器的截止点和输出更新 速率，因此可消除a d 转换过程中产生的噪声。该器件还包括在自校准和系统校 准选项，以消除的本身或系统的增益和偏移误差“。 由上可见，a d 7 7 0 5 不需要复杂的设计或昂贵的滤波器，也不需要额外的采 样保持放大器。a d c 的周边电路也很少。数据以串行方式输出，增益值、信号 极性以及更新速率的选择可用串行输入口由软件来配置，是用于智能系统和微 控制器系统的理想产品。因为热电偶和热电阻的输入信号在o - - 8 0 m v 之间，而 9 武汉理工大学硕士学位论文 且是慢速变化信号，因此在温度测量系统中采用a d 7 7 0 5 作为信号调理转换很合 适。主控制板中a d 7 7 0 5 和a t 8 9 c 5 2 的连接如如图2 2 所示。 a d 7 7 0 5 的d o u t 和d i n 通过一个i o k 的上拉电阻与a t 8 9 c 5 2 的r x d 口线相连， d r d y 、s c l k 、c s 分别与a t 8 9 c 5 2 的i n t o 、t x d 和w r 相连。仪表中采用l m l 4 0 3 为a d 7 7 0 5 接供电源和参考电压。 图2 2 主控制板原理图 由于热敏元件的信号输入电路不同，所以热电偶信号通过补偿导线同 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 a d 7 7 0 5 的通道一接入，极性不可接反。热电阻信号采用三线制由a d 7 7 0 5 的通道 二接入，公共端一定要接在b 端。当热敏元件为热电偶时，a d 7 7 0 5 在缓冲模式 下工作，以便允许前端的大去耦电容器消除可能在热电偶引脚上的任何噪声， 并提供输入阻抗。当a d 7 7 0 5 在缓冲模式下工作时，其共模输入范围缩小( g n d + 5 0 m v v d d + 3 0 m v ) 。为了将来自电偶的差分电压置于一个合适的共模电压上， a d 7 7 0 5 的a i n ( 一) 输入端向上偏置达到基准电压( 1 3 1 1 4 0 3 为a d 7 7 0 5 产生2 5 v 的基准电压) 。当热敏元件是热电阻时，热电阻与r 1 、r 2 和r 3 组成一个四引 脚的电阻桥，通过在桥的底端和a d 7 7 0 5 的g n d 之间插入一个小电阻( 1 k ) 来设 置相应的共模电压。 2 3 1 3 冷端补偿电路设计 在温度测量系统中高温环境的温度测量常用热电偶传感器，但由于热电偶 产生的热电势取决于其两端的温度，只有在冷端温度恒定时其输出的热电势才 是测量端( 热端) 温度的单值函数，而且工程技术上广泛使用的热电偶分度表 和根据分度表刻划的测温显示仪的刻度都是根据冷端温度为0 而制作的。因 此，对它的冷端温度必须进行补偿才能保证热电偶测量精度。熟电偶输出电压 可表示为： v = ( t 1 一t o ) 其中a 是与热电偶材料有关的常数。t l 是待测温度，t 0 是接线盒处的温 度。为了对t o 造成的误差进行补偿，可以在热电偶输出端采用补偿电桥法，也 可以测出接线盒处的温度，然后用软件进行补偿。本设计中采用的是后者，简 单说来就是将仪表安装处的室温测量出来，然后计算出指定类型的热电偶在该 室温下的电动势e n ，然后将e n 与热电偶的电动势相加，再根据手册提供的温度 一热电势对照表( 分度表) 就可以计算出相应的检测点的温度。 本仪表中使用d a l l a s 公司生产的d s l 8 8 2 0 进行冷端补偿。d s l 8 8 2 0 是一种 单总线数字温度传感器，具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰等优点，特别 适合于构成多点温度测控系统。从d s l 8 8 2 0 读出或写入信息仅需要一根口线， 其读写温度变换功率来源于数据总线，该总线本身也可以向所挂接的d s l 8 8 2 0 供电，而无需额外电源。与传统的热敏电阻温度传感器不同，它能够直接读出 被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9 1 2 位的数字值读数方 式，可在9 3 7 5 m s 和7 5 0 m s 内将温度值转化9 位和1 2 位的数字量。因为在单 总线上传送的是数字信号，这使得系统的抗干扰性好、可靠性高、传输距离远。 武汉理工大学硕士学位论文 使用d s l 8 8 2 0 无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统“”。 d s 8 8 2 0 与m p u 的连接如图2 2 所示。d s l 8 8 2 0 的d q 为数据输入输出端( 即 单线总线) ，该脚为漏极开路输出，常态下呈高电平，仪表中将d s l 8 8 2 0 的d q 线与8 9 c 5 2 的p 1 7 口相连。v d d 是外部了+ 5 v 电源端，不用时应接地，本仪表 中接电源端v c c 。 2 3 1 4 其它 图2 - 2 中x 2 5 0 4 5 是具有上电复位、看门狗定时器、电源电压监控和块锁保 护的串行e e p r o m 芯片。这种组合降低了系统成本、减少了电路板空间和增加了 可靠行。为了系统能稳定的运行，在各芯片的电源引脚处都使用了退耦电容来 滤波，并去除电源里的瞬间短时脉冲波形干扰“3 “1 。微处理器中未用引脚通过一 个上拉电阻接电源v c c ，以防止未用引脚处于不确定状态，对微处理器的正常工 作产生干扰。 2 。3 。2 i 0 板 1 o 板负责传感器信号的输入和继电器信号的输出。u o 板采用一片7 4 h c l 5 4 对来自主控制板的信号进行译码，选择数据采集的通道。i o 板用二片p c f 8 5 7 4 进行i o 扩展。p c f 8 5 7 4 是包含一个8 位准双向口和一个1 2 c 总线接口，电流消 耗很低，且输出锁存具有大电流驱动能力，可直接驱动l e d “”。 2 3 3 显示板 显示板用于显示测点号、温度和l e d 报警。仪表内使用串行接口的h d 7 2 7 9 a 来完成l e d 显示和键盘接口的全部功能。h d 7 2 7 9 a 可同时驱动8 位共阴式数码管 和连接多达6 4 键的键盘矩阵，片内有译码器和2 种译码方式，可直接接受b c d 码或1 6 进制码。此外，芯片还有多种控锖指令可方便的控制显示和键盘接口。”。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章嵌入式实时操作系统 3 1 嵌入式实时操作系统概述 以嵌入式处理器为中心，开发人员搭建好硬件电路时仅提供了裸机，要使 系统的硬件资源充分利用起来，还需要嵌入式实时操作系统r t o s ( r e a lt i m e o p e r a t i n gs y s t e m ) 的软件支持。嵌入式实时操作系统( e m b e d d e dr e a lt i m e o p e r a t i n gs y s t e m ) 是一种实时的、支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它 是嵌入式系统( 包括硬、软件系统) 极为重要的组成部分，通常包括与硬件相 关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议等“。嵌入式操作系 统最关键的部分是实时多任务内核，它的基本功能包括任务管理、定时器管理、 存储器管理、资源管理、消息管理等，这些管理功能是通过内核服务函数形式 交给用户调用的，也就是嵌入式操作系统的a p i 。由于嵌入式操作系统是针对不 同处理器优化设计的高效率实时多任务内核，因此基于嵌入式操作系统上的c 语言程序具有极大的可移植性，可实现9 0 以上设备独立，一些成熟的通用程序 可以作为专家库函数产品推向社会。嵌入式软件的函数化、产品化能够促进行 业交流以及社会分工专业化，减少重复劳动，提高知识创新的效率“1 。 3 2 嵌入式实时操作系统的特点 目前，已有多种嵌入式实时操作系统应用于实际产品。嵌入式实时操作系 统