（检测技术与自动化装置专业论文）基于能效理论的分布式能量检测系统的开发.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 面对着全球能源的日益紧张，世界各国开始对节能技术给予高度的重视其 中，建筑节能成为了当今普遍关注的热点问题。目前建筑节能技术的研究工作大 多集中在建筑材料的选取和建筑物内能耗系统的设备改造上，而能量最终有多少 被真正有效的利用，往往被人们所忽视本文正是基于这一考虑，应用了一种能 效理论，将建筑物内的能效状况划分为能量传输效率和能量利用效率，在此理论 的基础上实现对能量的检测，根据检测得到的数据结果对能量进行分析与评估， 得出一个节能的指导建议和具体的实施方案，然后进行能量的管理与调度，最终 达到节能的目的 本文重点设计了一种基于嵌入式系统的针对建筑物内中央空调和照明系统的 能效利用状况的检测系统。该系统以m i 四d c h i p 公司的高性能p i c l 8 f 系列嵌入式 微处理器作为硬件平台，利用嵌入式实时操作系统( r t o s ) 进行设计实现。 系统根据能量利用状况的不同在建筑物内选取一些区域作为典型区域，在典 型区域内放置能量检测传感器和感知传感器，实时采集温度、照度以及感知参数， 通过对这三类数据的处理，估算能量的利用状况，分析能量与人的活动的密切关 系。本文介绍了系统的硬件电路设计方案，着重说明了传感器数据的检测方法和 通信方式。在通信方式的选择上，系统采用以太网络与4 8 5 总线结合的方法，这 种方法对不同的建筑物内通信线路的布设提供了很大的方便，同时由于以太网络 和4 8 5 总线的通信技术都己较为成熟，能够保证数据通信的可靠性 在软件设计方面，系统采用了r 1 的s 的设计思路取代传统的前后台的软件设 计方法。通过r 1 o s 根据实际应用功能将系统划分为若干模块，每个模块作为一 个任务分别进行设计，利用消息通信机制实施任务调度使系统在各个任务之间切 换自如。本文介绍了利用r 1 的s 对能量检测控制器和能量处理服务器进行软件设 计的方法，对如何划分为不同任务进行设计作了重点介绍。采用r t o s 使得编写 程序和扩展功能都变得十分方便，大大简化了应用系统的设计，提高了分工合作 的效率。在数据通信的软件协议方面，本文选取了t c p 传输协议和m o 曲惦协议 分别作为以太网通信和4 8 5 通信的实现协议，详细介绍了协议的原理、格式以及 如何应用于本系统的设计思路 i 山东大学硬士学位论文 最后，根据方案的设计进行了系统软硬件的歼发，并对其性能进行了相廒的 测试通过试验结果证明了系统的可行性。同时，缩合测试过程中出现的一魃问 趱对系统终了遴一步夔教避冬完善。 关键逶；熊霪羁矮效攀；擞处理器；爽对掇箨系绫；髓5 蕙线；滚太疆 i 、， 坐垄查堂塑主堂垡丝茎 a b s t r a c t f a c i n g t h ei n c r e 蠲i n 出yt e n 8 eo fg i o b a le n e r g y t h ew o r i da t t h e sg r e a t i m p o r f a n c et o 饥e r g y - s a v i i l gt c c h n o l o 百龉a m o n gt i 删l ，b 试1 d i n g 铝ye 伍c i 吼c y b e c 蛐e sac u r r e n th o ti s s u eo f m m o nc c e m a tp r e s 铋t ，t h es t i l d i e so fb i l i l d i l l g 髓锄g y - s a v i n gt e c h n o l o g ) ，m o s t l yl o c a t e 缸1 l l es e l e c 石0 no fb i l i l d i n gm a t e r i a l s a n d e q u i p 眦n tc h a n g i n go f 也c 锄唧c o n s 嘲p h o ns y s t e mi nm e 砸1 d i n g h o w 嘴也c s i t l l a t i o nh o wm u c h 吼e r g yi sn l l l y 璐e de 腩c t i v e l yo f t i si g n o r e d c o 璐i d e r i n gl h i s ， n 璩t h 镐i sp o i r l t 8 觚e r g ye 伍c i e n c yt h 珥d i v i d 髂m eb l l i l d i l l g 锄吣ye 伍d c l l c y s i t u a t i i n t ot w op a r t s ：胁e 唱y 位m s m m i l l ge 伍c i e n c y 锄d 伽弼y 璐i i l ge 伍c i e i l c 弘 u s 骼l h i sm e o r yt or e a l i z et h em e 邪u r eo fe n 鲫移a c c o r d i l l gt ot h er 嚣u na c h i 吖c db y a l y z i n ga n dc 、，a l u a 血gt l l eb l l i l d i n g 哪y ，、g e ta9 1 1 i d i n ga d v i c e 锄d 懿e c 砸o n m e l h o d ，d i r e c t i n g1 l st om 孤a g e 髓e r g y i no r d e rt or c a l i z et h eg o a lo f 铋e r g y _ s 撕i l g i h et h e s i sm a i l l l yi n n d d u 淄am e t h o do fm e a 踟】r i n g1 h eb u n d 王n ge n e i g yu 咖g s i t l i a t i o f n a ca n di l h 埘_ i l l a t i o n8 y s t 锄b 鹋c do n 锄1 b e d d e d 白e c h o l o g y t h i s s y s t 咖l l s 伪m i c r 0 出p sp i c l 8 fs e r i 髓锄b e d d e dm i c r o c 伽1 l c r 船也eh a l 曲m p l a t f o 】ma n dr e a l d m eo p 描n gs y s t 锄勰t h e f t ) l ，a r cd e s i 伊m e t h o d a c c o r d i n gt om ed i 丘；。r e n c eo fs i t l l a t i 衄o f 锄e r g y 璐i 1 唱i nt h eb l l i l d i n 舀w e s e l ts e v e r a lt y p i c a la r e 船锄dp u tc n e r g ym e 勰u r i n gs e i l s o r sa n dd e t t i n gs e 璐。侣i n t 1 1 e s ea 坨鹊，s 锄p l ek i n d so f d a t as u c h t 印呻蹦l t u r e ，1 i g 虬d e t t i n ga l 姗n 瑚曲螂 a n dg c t 舭螂y 毗g8 m 触b y d e a l i n g 谳d 瓶a s t h ed a t a 倒s s i o n i s c o n c e m e d ，w ec h o o s ee t h 锄e tc o m b i l l i n g4 8 5 b u st or ea _ 垃z e 加协l n s l n i s s i o n t 1 1 i s m 酬b o dn o to n l ym a k e st h ei l l s c a l l a t i o no f 把m 删s s i o ne q u i p m 即临i nd i 丘i 咖t b u i l d i n g sv e 巧c 0 删t ，b u ta l i n s u r e sd a ：c at r a n s m i s s i o n r c l i a b l e 0 1 1m es i d eo f s o 脚撇d e s i 鹃w ec h o o s er t o si n s t e a do f 仃舶玉i 虹伽- a 1s o 脚黜 p r o g r a 砌血gm e m o d a c c o r d i n gr t o s ，m cs y s t 锄i sd i v i d e di n t o v e m lm 胁c n t t 勰l 【s 觚dd 懿i 印c ds 印a m t e l y u s i n gm e s s a g cm e c h 锄i s m ，t h es y s t 锄c 缸b e 刚i t c h e d n 鼹i b l eb 的 ，e 锨e v e r yt 破t h em 船i sm a i n l y 协舡o d u c e st h ew a yh o wt o 啪r 1 o s t od i v i d eas y s t 曲1i n t os e v 豇a lt a s l 皤觚de m p h 鸽i z 鼯t h ed c s i g nt e “( 1 u eo f 纰 把m s m i s s i o n mn l eh e l po fr r o s ，m ep r o 莎蛆1 m i i 培b e c 锄鹤v e r yc o n v 伽i e n _ t m e v 山东大学硕士学位论文 s y s t 锄d e s i 印i ss i i n p l e ，孤dn l ee m c i e n c yo f c o o p e r 撕o ni s1 1 i g h l ya d v a i l c e d f i n a l l m c o r d i i l gt h ed e s i g n h a r d w a r ca i l ds o n 哪o f t l l es y s t e m 盯ed e v e l o p e d t h mt l l es y s t e n li st 髂t e dt op r o v et l l a tt h et h e o r yi sf e 鹤i b l e a n da l s o ，f o ft h e p r o b l e m sa p p e a r 。di 1 1t h ep e r i o do ft e 瓯t l l es ) ，s t e mi sm o d i 6 e d 孤d r c a l i z c dl h e8 0 a l 嚣m o s t 私p o s s i b l e k e y w o m s ：e n e r 舒1 l s i i l ge m c i 饥c ”n l i c m p r o c e s s o r ；r 1 1 0 s ；4 8 5 - b l l s ；e 也咖e t 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：j 陟 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 。 论文作者签名： 导师签名：寺擅日期： 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 目前，全球的能源危机越来越严重，而且已经对我们的日常生活造成影响。 近几年，在我国的华东、华中地区就曾出现过大面积的电力紧张局面。现在国内 的汽油价格也随着国际市场上油价的波动而一升再升。“节能”已变成一个越来越 迫切的问题。而对全球环保问题的关注亦促使人们不断把眼光投向节能。 建筑物能耗是指建筑物( 包括商业、民用及其它非物质生产部) 建成以后，消 耗在建筑中的采暖、空调、降温、电气、照明、炊事、热水供应等所消耗的能源， 包括下面三个主要方面：一是建筑本身的能耗( 主要包括外围护结构的传热及冷风 渗透耗热) ；二是为维持室内热环境、冷( 热) 源设备及系统的能耗；三是各种余热、 废热及自然能的热【”。 目前，全世界建筑物能耗约占能源总消费量的3 0 ，其中住宅能耗约为商用 建筑的2 倍。建筑能耗与人民生活水平关系甚大，工业化国家建筑能耗占全球建 筑能耗总量的5 2 ，东欧和前苏联占2 5 ，发展中国家占2 3 。我国建筑能耗占 一次能源消耗的比例将由2 0 0 0 的1 6 2 提高到2 0 2 0 年的2 5 0 2 6 7 ，而且比例 也将随着人民生活水平的提高而逐步上升。 我国房屋建筑规模十分巨大，近几年每年建成房屋达1 6 亿2 0 亿平方米。每 年每人平均新增房屋面积1 3 1 5 平方米；人口也在不断增加，每年增加约9 0 0 万 人。在全面建设小康社会目标的指引下，我国城镇化将加速发展，人民生活水平 不断提高，2 1 世纪头2 0 年内，建筑业仍将迅速发展。全国城乡房屋建筑面积2 0 0 2 共计为3 8 8 亿平方米，其中城市1 3 1 8 亿平方米。预计到2 0 1 0 年底，全国房屋建筑面 积为5 1 9 亿平方米，其中城市1 7 1 亿平方米；估算到2 0 2 0 年底，全国房屋建筑面积 达6 8 6 亿平方米，其中城市为2 6 1 亿平方米。在每年新建建筑中，只有1 0 1 5 能 达到国家制定的强制性节能标准，8 0 以上为高耗能建筑；既有的4 0 0 亿平方米建 筑中，9 5 以上是高能耗建筑。 一般而言，在一栋建筑物的能耗中，中央空调所占的比重最大。根据有关的 统计，中央空调部分大概占4 0 巧0 ，照明部分大概占3 0 左右，而给排水、运 山东大学硕士学位论文 输等其它部分大约占2 0 左右。通常，建筑物的中央空调系统是按照最大负荷量来 设计的，但实际上，建筑物的空调负荷是随气候条件、环境温度、大厦内人员流 动情况、用电设备使用情况等而变化的。一年内极少时间是工作在最大负荷之下 的。有关的统计资料表明，建筑物中央空调的年运行负荷率较低，一般在设计负 荷5 0 以下的运行时间就占了7 0 以上。由此可见，建筑物中央空调的节能是大有 潜力而且意义重大的。除了选择能源效率高的空调设备外，如果能在控制方面找 到方法，采用合适的控制策略，根据建筑物空调系统的有关参数，测量出室外温 度，冷冻水供回水温度、冷却水供回水温度等，计算空调系统的实际负荷量，并 由此对建筑物中央空调系统的设备进行最优控制，根据实际所需负荷改变其运行 工况，那必将会产生明显的经济效果，大大推动空调节能的发展，对缓解当前能 源紧张的局面大有裨益。 1 2 目前研究现状 国外各政府早在2 0 世纪7 0 年代“石油危机”之后，都结合着本国的特点，相 继制定并实施了一系列的建筑节能法律、法规，对建筑节能做出了明确的规定。 如加拿大、西德、瑞典、法国等先后颁布了有关住宅建筑节能的法规；东欧国家 也在近l o 年颁布并执行了相应的法律；日本则是建立节能管理体制最为完善的国 家，从政府到地方都建立了一套完备的能源管理机构和咨询机构，专门研究节能 问题，并取得了很好的效果。国外的经验证明，强制执行节能标准是促进建筑节 能的有效途径。 我国在国家宏观层次上，尚没有把建筑节能提到国家实施资源战略和可持续 发展战略的高度来认识与定位；在微观层次上，也尚未出台促进建筑节能工作的 专门政策和法规。现有的中华人民共和国节约能源法对建筑节能仅有原则性 规定，难以操作。没有法律为基础，特别是缺乏财政税收等经济激励政策，单纯 依靠用户和开发商的自发行为，以及建设工程质量标准的强制推行，从长远来看， 这些手段对新建建筑能起到一定的作用，但是对既有建筑的节能改造却无丝毫作 用【孙。 在建筑节能技术方面，也是国外做的比较好，比如美国加州大学伯克利分校 开发出来建筑物能耗分析评估软件，可根据建筑物的围护、结构等指标计算出建 筑物的基本能耗需求。我国清华大学以江忆院士为首的课题组也开发出了建筑物 2 山东大学硕士带位论文 能耗仿真和评估计算系统。但是这些评估或仿真系统都怒从建筑围护、选用的保 滋秘耱等入手，磷突建筑兹臻瓣兹熊量需求，虽然对建筑秘熬苇戆鸯麓大藤器导 作用，可如何将节能措施具体化、可操作方面却无法给出指导建议p l 。 建筑物的能耗基数主要由建筑物的建筑材料和围护缕构决定，由鼍：建筑材料 和磊护结梅煞不颡，蘑戮帮捷怒建筑蟊获稚瓣豹建筑蘩箕艇耗需求遣举一定摇圈。 但冤论是何种建筑材料和围护结构，它需翳的能量都主翳是通过空调和照明系统 提供的。既然建筑物的能耗主瓣消耗在空调和照明系统上，如果能够知道空调和 照蘸系统静雏量传输效率、靛慧健震效率( 嚣者篱称畿效) ，那么裁霹戳锋黠特定 的建筑通过能效来判定其是否宥能耗浪费现象、是否有节能潜力，从而获得具体 可操作的节能措施。 麓串央空调系统嚣言，嚣靛存在戮下麓麓：重投资成本核算，轻缝耗指标诗 算，缺乏节能引导。这使很多韧投资低但能耗大、运行赞用高的中央空调系统大 行冀道。例如：地源热泵空调用循环冷却水系统代替地耦换热器。缺麓系统的、 全髑经豹能效指标。孛夹空调蔻一顼复杂的繁统工程，中央空调镗源窍效耧鹰蠹孽 评价不能单纯地停留在对机器设备的评价上，对整个系统的评价更为煎要，是否 节熊不仅与空调设备有关，丽息与系统设计憋想、管鄹设计各部分强配、施工优 劣、运行管理承平淤及建筑耪热特性等因素有关。两蠢髓常采取匏带能措施逶过 增加b a s 调节m ，a c 的设备，采用各种优化控制算法比如变流量控制、变风量 控制等。这些措施虽然可以起猁一定的节能效果，但是从系统的旁度麓节能效果 并不十分骧显。院如冷冻永系统，虽然采瘸了变流量控翻，僵若部分流璧获旁通 阀流炬，则通过交流量控制获得的节能效果就大打折扣了。之所以会出现这种情 况，是匿为不以熊曩为控利对象，只就某个参数进行控制，困此当以娩量力考核 爵标拜寸，仅通过这种控镑l 方式，就无法准确盼表示节能的情况。 就空调和照明系统运行效率的研究，圜内外都已作了大量的工作。但是如何 能迅遮准确地赞慰套个独具特织熬建筑给墩这两个系统遂行能效的整襄译售检测 系统，国内外还束发现。 1 3 嵌入式系统的发展 “褒入式系统”一般掺 # 嬲系统，毒谤簿辊凌轭毽叉苓称之秀谤雾爨熬设冬 或嚣材。嵌入式系统以应用为中心，以计雾机技术为基础，并且软硬件可裁剪， 3 山东大学硕士学位论文 适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的应用系统。它一般由嵌 入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分 组成，用于实现对其它设备的控制、监视或管理等功能。 嵌入式系统的硬件部分包括核心处理层( c p uc o ) ，外接电路层和外部设备层 等三层。核心处理层是系统的核心，控制系统的工作。外围电路层包括加端口、 内存、复位电源等，和核心处理层共同构成基本的嵌入式系统，如单片机系统。 而外围设备层是嵌入式系统和外部环境互动的物理设备，如键盘显示( l ( ：d ，删， 们接口( u s b 、珉d a ) 等。实际应用中，嵌入式系统硬件配置很灵活，可以根据需 要进行裁剪【4 】。 嵌入式系统的出现至今已经有3 0 多年的历史，近来计算机、通信、消费电子 的一体化趋势日益明显，嵌入式技术己成为一个研究热点嵌入式系统一般具有 以下特点： ( 1 ) 完成某一项或有限项功能而不是通用型的。 ( 2 ) 在性能和实时性方面有严格的限制。 ( 3 ) 占有资源少、易于连接。 ( 4 ) 系统功能可针对需求进行裁剪、调整和生成以便满足最终产品的设计要求。 嵌入式系统应用前景分析发展前景将非常广阔。嵌入式系统具有巨大的市场 需求前景，仅就美国市场而言，据估计，2 1 世纪接入i n t e m 乩的将有1 亿辆汽车、 几千万台个人通信装置、每个家庭中5 2 0 个联网的家用电器以及数以百万计的 工厂系统。业界分析家认为，嵌入式系统在疋电话、游戏装置和手持式通信装 置的推动下将会有突飞猛进的发展。据市场分析人员预测，到2 0 1 0 年，嵌入式 p c 的销售额将达到3 0 0 亿美元。这些都进一步促进了嵌入式系统的发展和产业化 的进程，同时也对嵌入式操作系统的性能提出了更高的要求。嵌入式操作系统不 仅在传统的工业控制和商业管理领域有极其广泛的应用空间，如智能工控设备、 p o s a i m 机、i c 卡等，而且在信息家电领域的应用更具有极为广泛的潜力，例 如机顶盒、w e b t v 、网络冰箱、网络空调等众多的消费类和医疗保健类电子设备， 以及在车载盒、智能交通等领域的应用也呈现出前所未有的生机。 在我国，嵌入式信息产品设计的领域很广，市场也很大。在传统的嵌入式产 品向嵌入式信息产品的过渡过程中，首先面临的挑战是核心操作系统软件的开发 4 山东大学硕士学位论文 工作，容量小、稳定性高且易于开发的操作系统则成为广大工程师喜爱的产品。 国外很多企业正在开展嵌入式实时操作系统的研制，其中很多已经进军中国市场。 中国软件不能再次失去机会，研制自主版权的嵌入式实时操作系统可以摆脱p c 时代被国外厂商牵着走的局面，使中国的r r 行业真正走向成熟和独立 可以看出，嵌入式实时系统的发展是机遇与挑战并存。我们致力于嵌入式实 时系统的设计和实现，就是希望通过我们的努力，为推动嵌入式实时系统的推广、 应用，以及研制具有自主产权的嵌入式实时系统，做出自己的贡献。 1 4 本文研究内容 鉴于此，本文致力于开发一套完整的基于嵌入式系统的针对建筑物内空调和 照明系统能效运行状况的检测和管理系统，能够适应不同建筑结构的建筑物。通 过对能效的分析并结合建筑物自身的特点，对建筑物能量使用状况进行检测。根 据检测的结果，通过与国际上相关标准相比较得到建筑的节能潜力。再根据系统 检测到的空调和照明系统中能耗设备运行效率和评估得到的空调照明系统能量转 换效率，提出节能的指导建议和具体的实施方案。本文主要从事以下几个方面的 工作： ( 1 ) p i c l 8 系列微处理器的研究与嵌入式实时操作系统( r t o s ) 技术的探讨。 这部分主要介绍了p i c l 8 系列微处理器的处理器结构、特点、开发环境等，并探 讨了r t o s 技术的特点、优势以及如何应用等。 ( 2 ) 确定了基于以太网和4 8 5 总线的针对建筑物内空调和照明系统能效运行 情况的检测系统的功能需求、实现方案和结构，确定该系统所具备的特点、需实 现的功能、涉及的关键技术并设计系统的整体结构。 ( 3 ) 设计、开发了针对建筑物内中央空调和照明系统能量利用效率的检测系统 嘲。系统的设计开发从硬件和软件两方面展开。系统分为两层结构，底层数据采 集器，我们称之为能量检测控制器，采用p i c 系列的单片机p i c l 8 f 4 5 2 作为主处 理器，采集温度、照度以及感知传感器的数据；中间层数据处理器，我们称之为 能量处理服务器，采用p i c 系列的单片机p i c l 8 f 8 7 2 2 作为处理器，通过4 8 5 总 线通信模块与能量检测控制器实现数据交互，再进行数据处理、分析与存储，并 可通过以太网络向上层传输至监控计算机，由上层监控计算机统一进行数据检测 与调度1 6 l 。 5 山东大学硕士学位论文 全文章节安排如下： 第一章主要介绍了课题研究的背景，节能技术的研究现状以及嵌入式技术的 发展现状。 第二章介绍了p i c 系列嵌入式微处理器的特点，嵌入式实时操作系统( r 1 的s ) 的概念、开发流程，简要分析了一种基于p i c 系列微处理器的砌帕s 的应用。 第三章介绍了基于能效理论的能量管理系统，阐述了课题的功能需求，并对 处理数据所涉及的理论方法作了简述。 第四章介绍了针对于建筑物内能量利用效率检测系统的总体设计方案和部分 硬件设计电路。 第五章介绍了能量利用效率检测系统的软件设计实现，分析了r t o s 在程序 中的设计流程，说明了4 8 5 总线通信和以太网通信的设计思路。 第六章介绍了针对能量利用效率检测系统所做的测试工作，总结了测试过程 中遇到的部分关键技术问题。 第七章对本文做了总结并对后续的工作进行了展望。 6 山东大学硕士学位论文 第二章p lc 微处理器与嵌入式实时操作系统 2 1 p i c 系列微处理器简介 p i c 微处理器是由m i c r o 出p 公司生产的高性能的8 位微处理器，它具有指令 少、执行速度快等优点，其主要原因是p i c 系列单片机在结构上与其它单片机不 同。该系列单片机引入了原用于小型计算机的双总线和两级指令流水结构。这种 结构与一般采用c i s c ( 复杂指令集计算机) 的单片机在结构上是有显著不同的【”。 ( 1 ) p i c 的双总线结构 采用c i s c 结构的单片机均在同一存储空间取指令和数据，片内只有一条总 线。这种总线既要传送指令又要传送数据。因此，它不可能同时对程序存储器和 数据存储器进行访问。所以具有这种结构的单片机，只能先取出指令，再执行指 令( 在此过程中往往要取数) ，然后，待这条指令执行完毕，再取出另一条指令， 继续执行下一条。这种结构通常称为冯诺依曼结构，又称普林斯顿结构。 p i c 系列单片机采用了一种双总线结构，即所谓哈佛结构。这种结构有两种 总线，即程序总线和数据总线。这两种总线可以采用不同的字长，如p i c 系列单 片机是八位机，也就是说数据总线是八位。但低档、中档和高档的p i c 系列单片 机分别有1 2 位、1 4 位和1 6 位的指令总线。这样，取指令时则经指令总线，取数 据时则经数据总线，互不冲突。 正是因为指令的位数多，每条指令包含的信息量也就大，这种指令的功能就 强。一条1 2 位、1 4 位或1 6 位的指令可能会具有两条八位指令的功能。因此p i c 系列单片机的指令与c i s c 结构的单片机指令相比，指令总数要少得多( 即r j s c 指令集) 。 ( 2 ) 两级指令流水线结构 由于p i c 单片机采用了指令空间和数据空间分开的哈佛结构，用了两种位数 不同的总线。因此，取指令和取数据有可能同时交叠进行，所以在p i c 单片机中 取指令和执行指令就采用指令流水线结构。当第一条指令被取出后，随即进入执 行阶段，这时可能会从某寄存器取数而送至另一寄存器，或从一端口向寄存器传 送数等，但数据不会流经程序总线，而只是在数据总线中流动，因此，在这段时 7 山东大学硕士学位论文 间内，程序总线有空，可以同时取出第二条指令。当第一条指令执行完毕，就可 执行第二条指令。这样，除了第一条指令的取出，其余各条指令的执行和下一条 指令的取出是同时进行的，使得在每个时钟周期可以获得最高效率。 在大多数微处理器中，取指令和指令执行都是顺序进行的，但在p i c 单片机 指令流水线结构中，取指令和执行指令在时间上是相互重叠的，所以p i c 系列单 片机才可能实现单周期指令。只有涉及到改变程序计数器p c 值的程序分支指令 ( 例如g i d t o 、c j 址曲等才需要两个周蝌羽。 ( 3 ) r a m 结构寄存器 p i c 单片机的结构特点还体现在寄存器组上，如寄存器矶0 口、定时器和程 序寄存器等都是采用了r j m 结构形式，而且都只需要一个周期就可以完成访问 和操作。而其它单片机一般需要两个或两个以上的周期才能改变寄存器的内容。 2 2 嵌入式实时操作系统 以往我们在设计应用程序时，多是采用前后台( 超循环) 软件设计方法。后台 程序是一个无限循环，循环依次调用相应的函数来完成相应的操作。前台是中断 服务子程序，负责处理异步事件。这种方法适用于所控制的外设和执行的任务不 多，并且实时性要求不高时的情况。如果应用程序比较复杂，控制的任务超过了 一定的数量，或者要求对中断实时处理时，这种设计方法的一系列缺陷就会暴露 出来。在这种情况下，我们可以考虑使用嵌入式实时操作系统( r = i d s ) 的设计方法 进行设计【纠。 r t o s 是一种新的系统设计思想和一个开放的软件框架。它具有操作系统的 基本功能，可以对整个实时系统的运行进行控制，能根据系统中各个任务轻重缓 急，合理的在它们之间分配c p u 和各种资源的占用时间。利用信号量、消息等功 能提高c p u 的使用效率。由于r t o s 可以将应用系统划分为多个任务，从而大大 简化应用系统的设计，软件设计人员可以在不大量改变系统其他任务的情况下增 加或删除一个任务，大大缩短了开发时间和减少了软件的编写任务，适应了微控 制器应用复杂化的要求。 2 2 1r t 0 s 概述 嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统。它将计算机硬件和软件结 合起来，构成一个专门的计算装置，完成特定的功能和任务。具有软件代码小、 8 山东大学硕士学位论文 高度自动化、响应速度快等特点特别适合于要求实时的和多任务的体系。 实时操作系统a 1 越m eo p l t i n gs y s t e m ，本文中简称为r ：i d s ) 是指具有实 时性、能支持实时控制系统工作的操作系统。它是使得计算机系统的硬件成为可 用的、由软件或固件 吸m m 蚍) 所实现的程序集，是介于编程者与机器硬件之 间的一个软件层它的首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务，重 要特点是要满足对时间的限制和要求。它是一段在嵌入式系统启动后首先执行的 背景程序，用户的应用程序是运行于r t o s 之上的各个任务，鼢o s 根据各个任 务的要求，进行资源( 包括存储器、外设等) 管理、消息管理、任务调度、异常处 理等工作在r t 0 s 支持的系统中，每个任务均有一个优先级，r t o s 根据各个 任务的优先级，动态的切换各个任务，保证对实时性的要求【l o 】 实时操作系统分为软实时操作系统和硬实时操作系统。在硬实时操作系统中， 各个任务不仅要执行无误而且要做到准时。而软实时操作系统中系统地宗旨是使 各个任务运行的越快越好，并不限定某一任务必须在多长时间内完成大多数实 时操作系统是两者的结合体。 实时操作系统是相对于分时操作系统m e - s h a r i n go p 瓤吨i n gs ) ，s t 锄) 的一个 概念。在一个分时操作系统中，计算机系统的资源会被平均的分配给系统内所有 的工作。大部分分时操作系统都支持多用户和多进程，负责管理众多的进程并为 他们分配系统资源。分时操作系统注重平均表现性能，不注重个体表现性能。 而在一个实时操作系统中，系统内有多少个任务不是那么重要。我们关心的 是一个任务在系统中的重要程度，重要任务必须优先完成。如果我们采用优先级 抢占式调度方式，那么实时操作系统通常会要求每一个工作在交付给系统的时候 同时也给定一个优先级，代表该任务在系统中的重要程度，任务之间的切换以优 先级为根据。 r t d s 的实时性和多任务能力在很大程度上取决于它的任务调度机制。从调 度策略上来讲，分优先级调度策略和时间片轮转调度策略；从调度方式上来讲， 分可抢占、不可抢占、选择可抢占调度方式；从时间片来看，分固定与可变时间 片轮转。只有抢占式优先级调度方式的r t o s 才是真正的实时操作系统，可以使 中断响应时间减到最小。我们设计的r t o s 为保证实时性，采用抢占式优先级调 度策略【u 】 9 山东大学硕士学位论文 r 1 o s 的主要功能模块有调度和中断处理( 为了优化可以使用汇编语言编写) 、 任务管理、时间管理、消息管理、信号量管理等等。 r ：i d s 体现了一种新的系统设计思想和一个开放的软件框架，开发人员在编 写程序时，可以分别编写各个任务，不必同时将所有任务运行的各种可能情况记 在心中，大大减少了程序编写的工作量，减少了出错的可能，保证最终程序具有 高可靠性。开发人员还可以在不大量变动系统其它任务的情况下增加或去掉一个 任务。一个项目开发的过程中，可以有多个工程师同时进行系统的软件开发，各 个人之间只要制定好规程和协议即可，既缩短了开发时间，又降低了最终软件产 品对于具体某个开发者个人的依赖性。而且为r 1 的s 所设计的成熟和通用的任务 可以以库函数的形式供其他人继续利用，和c 语言的设计思想一致。因此可以说 r 1 吣s 使嵌入式软件的编写从“小生产方式”进入“大生产方式”的必然产物。 2 2 2 盯0 s 发展现状 r t o s 经过几十年的发展，形成了百花齐放的现状。如今国内外的r t o s 开 发商有数十家，提供了上百个商业化的r = 】旧s ，应用较广泛的有v ) 研。砒( s 、 p s o s 、c m x 、q n x 、w 矾c e 、h o p e 等。它们各具特色，如v x w o 砌岱具有 良好的实时性，q n x 、w d q c e 的图形管理功能则很强。但这些商业化r 1 d s 也 存在很多问题。首先，应用代码的重用性差。当选择不同的r ：r 0 s 开发时，不能 保护用户已有的应用投资，给应用开发者带来难题。其次，各个商业化r t o s 不 但价格昂贵( 版权费一般在5 0 0 0 2 0 0 0 0 美元之间，另外还需要l i c 曲s e ) ，而且不提 供源代码，应用者无法了解其细节。以上是所有商业化的r 1 旧s 都存在的通病。 针对我们所设计的硬件芯片p i c l 8 系列微控制器而言，还有以下问题：第一，它 们大多为高端复杂芯片所设计，通常所设计服务c p u 的速度一般都在5 0 m m s 以 上，因此在p i c l 8 系列微控制器上根本无法运行；第二，它们的代码量最起码几 十k b ，多的达几m b ，这也是p i c l 8 系列微控制器的存储空间不允许的。 随着c p u 设计技术的发展，目前微控制器的品种已经越来越多，其硬件性能 得到了极大提高，价格却逐渐降低。原来普遍应用的一些微控制器类型将逐渐被 淘汰。在这样一个大环境下，人们为了更好的发挥硬件的功能，肯定会接受并积 极应用r 1 d s 来设计软件。虽然目前商业化的r t o s 多是针对删等高端c p u 的应用，但人们也越来越认识到在诸如p i c l8 系列等这样一些低端c p u 上使用 1 0 山东大学硕士学位论文 r 1 d s 的必要性，由于低端c p u 在结构上相对简单，人们可以根据自己的能力设 计和使用r 1 o s 。 虽然r t o s 的设计和实现是一个比较复杂的过程，而且商业化的r t o s 不公 开其源代码，但正如分时操作系统中i 肌i ) 【的出现打破了咖o w s 一统天下 的局面一样，在r t 0 s 领域，也出现了许多公开源代码的d s 内核。如嵌入式 i 舢】) ( 、e c o s 、t i 彻1 绌、i l c 幻s - 等内科12 1 。其中由美国j e 缸儿a b r o s s e 先生 设计和编写的“c o s - 具有较高的稳定性和良好的可移植性，在国内的应用越来 越广泛【1 3 】。但即使是肛c ，o s - ，也只是在用于教学时是免费的，如果将p c o s 的目标代码嵌入到产品中去，也需要得到“目标代码销售许可证”。但不管怎样， 这些开放源代码的r t o s 内核的出现，对于国内r t o s 的研究、推广、应用将起 到重要的推动作用。 2 2 3r t 0 s 软件设计 正如前文所述，目前出现了许多公开源代码的瑚旧s 内核，给人们学习r t o s 提供了很大的方便，人们可以根据自己的需要进行修改或者移植。但如果要将这 些r t 0 s 内核的目标代码嵌入到自己设计的产品中去时，仍然不能直接应用。因 此，本文结合实际应用，介绍了一种应用于硬件芯片p i c l 8 系列微控制器的r i d s 内核，包括任务管理，任务调度，消息机制等内型1 4 1 。 2 2 3 1r t 0 s 任务 1 、任务定义 一个任务，也称作一个线程，是一个简单的程序。该程序可以认为c p u 完全 只属于该程序自己。实时应用程序的设计过程，包括如何把问题分割成多个任务， 每个任务都是整个应用的某一部分。在具体设计时，任务是一个无限的循环，运 行时根据具体情况在不同任务状态之间来回切换。任务在形式上看起来像其他c 的函数一样，但是任务是决不会返回的 根据应用系统的具体情况，系统中的任务数也不相同，但不能大于最多任务 数。应用系统中的最多任务数可以在头文件e n l r t o s h 中自定义，我们所设计的 r t o s 最多可以管理1 6 个任务。 每个任务都有其优先级，任务的优先级代表着任务在系统中的重要性。我们 设计的r = i d s 的优先级可以从o 到1 5 ，优先级号越低，任务的优先级越高，不同 山东大学硕士学位论文 的任务可以有相同的优先级。内核总是运行进入就绪态的优先级最高的任务，而 对同优先级的任务采用时间片轮转调度。 为了使内核能管理用户任务，用户必须在建立一个任务的时候，将任务的起 始地址和任务的优先级、d 号等其他参数一起传给函数锄c 麒羽k ( ) 。由该函 数将任务提交给内核进行管理。 2 、任务状态 在多任务系统中，任务要参与资源竞争，只有在所需资源都得到满足的情况 下才能得到执行因此，任务拥有的资源情况是不断变化的，导致任务状态也表 现出不断变化的特征。不同的实时内核实现方式对任务状态的定义不尽相同，但 是都可以概括为以下三种基本的状态： 等待( w a i 恤曲任务在等待某个事件的发生； 就绪( r c a d y ) 任务等待获得处理器资源； 运行( n m n i 玎曲任务获得处理器资源，所包含的代码内容正在被执行。 在单处理器系统中，任何时候都只有一个任务在c p u 中执行，任何一个可以 执行的任务都必须处于就绪状态，实时内核的调度程序从任务的就绪队列中选择 下一个需要执行的任务。处于就绪状态的任务拥有除c p u 以外的其他所有需要的 资源。除执行和就绪状态外，任务还可能处于等待状态。如任务在需要等待加 设备或其他任务提供的数据，而数据又还没有到达该任务的情况下，就处于等待 状态。 在一定条件下，任务会在不同的状态之间进行转换，称为任务状态的变迁。 任务状态的变迁情况如图2 1 所示。对于处于就绪状态的任务，获得c p u 之后， 就处于运行状态。处于运行状态的任务如果被高优先级任务所抢占，任务又会回 到就绪状态；处于运行状态的任务如果需要等待资源，任务会被切换到等待状态。 对处于等待状态的任务，如果需要的资源得到满足，就会转换到就绪状态，等待 被调度执行【1 5 】。 山东大学硕士学位论文 图2 1 任务状态变迁图 3 、任务控制块 任务管理是通过对任务控制块t c b 的操作来实现的。 任务控制块是包含任务相关信息的数据结构，包含了任务执行过程中所需要 的所有信息。不同实时内核的任务控制块所包含的信息通常都不太一样，但大都 包括任务的名字、任务执行的起始地址、任务的状态、任务的优先级、任务的上 下文( 寄存器、堆栈指针和p c 等) 等内容。任务的c p u 使用权被剥夺时，任务使用它 来保存该任务的所有状态；当任务重新获得c p u 使用权时，将任务控制块中保存 的任务状态恢复，保证任务从被切换的那一点丝毫不差的执行下去。 任务控制块全部驻留在系统删中。为节约内存，实时内核所需支持的任务 数量通常需要进行预先配置，然后在实时内核初始化的过程中，按照配置的任务 数量初始化任务控制块，一个任务对应一个初始的任务控制块，形成一个空闲任 务控制块链。在任务创建时，实时内核从空闲任务控制块链中为任务分配一个任 务控制块。随后对任务的操作，都是基于对应的任务控制块来进行的。当任务被 删除后，对应的任务控制块又会被实时内核回收到空闲任务控制块链。 4 、任务调度 由于c p u 资源是唯一的，所以同时只能有一个任务为运行态。任务调度机制 将确定哪一个任务获得c p u 资源。在上面讲到，系统中任务有三种基本状态。多 个任务在函数的调度下，在这三种状态中转换。其中就绪态的任务是可以运行的， 它与运行态任务的区别仅在于它没有占用c p u ，就绪态任务一直在等待高优先级 的运行态任务释放c p u 并通过任务调度进入运行态 山东大学硕士学位论文 r t o s 的实时性和多任务能力在很大程度上取决于它的任务调度机制。为了 实现良好的实时性，我们选择可抢占式优先级调度策略。系统总是运行进入就绪 态任务中优先级最高的那一个任务。如果该任务在运行中，由于某些原因激发了 另一个优先级比它更高的任务，那么该任务将退出运行，保存它的全部运行状态， 将c p u 的控制权交给优先级更高的任务。换句话说，当一个更高优先级的任务变 为就绪态时，它会立即抢占当前正在运行的较低优先级的任务的q u 使用权。 本文设计的r t o s 内核通过两种方式来实现任务之间的切换调度。一种是通过 函数e m s c h e d ( ) 完成调度，另一种方法是采用时间片轮转调度。 1 ) 调度函数e m s c h e d ( ) 使用调度函数e m s c h c d ( ) 可以快捷的实现从一个任务到另一个任务的切换。在 该函数内部，首先将当前r 硼d 记录下来，然后在系统设计的最大任务数范围内， 查询每一个任务的任务控制块信息中任务当前状态，找出在所有任务中状态为就 绪态的任务，下一步在所有状态为就绪态的任务中，依次比较每个任务的优先级， 将优先级最高的任务的d 号赋给r 岫d ，最后将该任务，即下面要运行的任务的首 地址送给p c 寄存器。程序跳出该函数后，即可进入将要运行的任务中 2 ) 时间片轮转调度 时间片轮转调度是实现多任务调度的常用方法。它是根据某一时间片的切换 轮流的调度所有就绪任务的方法将c p u 的运行时间划分为由许多小的时间片组 成，每当时间片到来时，调度程序去查询所有任务的状态以及优先级，确保状态 为就绪态的且优先级最高的任务才获得c p u