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(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。實(shí)際上嵌入式系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)的一種應(yīng)用形式，是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個(gè)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(dòng)化、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。因此它是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。特別適合于要求實(shí)時(shí)的和多任務(wù)的系統(tǒng)。從美國(guó)微軟發(fā)布"維納斯計(jì)劃"白皮書到中國(guó)中科院推出的"女媧計(jì)劃"，整個(gè)世界仿佛在一夜之間掀起了嵌入式開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的熱潮，人們開(kāi)始關(guān)注嵌入式技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用情況。嵌入式系統(tǒng)的研究和開(kāi)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(kāi)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(kù)等產(chǎn)品。在當(dāng)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(kāi)發(fā)及應(yīng)用，利用嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及測(cè)試技術(shù)，結(jié)合RTOS的選取原則，選用了源碼公開(kāi)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)C/OS-II，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)現(xiàn)對(duì)多點(diǎn)溫度進(jìn)行控制的嵌入式系統(tǒng)。復(fù)雜的微機(jī)控制系統(tǒng)使用常規(guī)的順序程序設(shè)計(jì)方法加上中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)功能是比較困難的，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1).實(shí)時(shí)性差：由于計(jì)算機(jī)在處理中斷時(shí)，一般不允許響應(yīng)低級(jí)和同級(jí)中斷，為了提高實(shí)時(shí)性，要求中斷處理程序盡量短。但是有許多實(shí)時(shí)操作的處理比較復(fù)雜，需要較長(zhǎng)的CPU執(zhí)行時(shí)間。如果用中斷來(lái)完成這些處理，則在處理時(shí)，無(wú)法響應(yīng)低級(jí)或同級(jí)中斷。如果采用中斷置標(biāo)志的方法，讓主程序來(lái)進(jìn)行處理，則一方面會(huì)增加程序的復(fù)雜性，另一方面也難以做到實(shí)時(shí)處理，因?yàn)橹鞒绦虿豢赡茉趫?zhí)行其它程序時(shí)，隨時(shí)去檢查這些標(biāo)志位而轉(zhuǎn)向不同的處理程序。(2).難以實(shí)現(xiàn)并行操作的相互通信：在功能較強(qiáng)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，除了主程序有時(shí)需要與中斷間進(jìn)行信息交換外，各個(gè)并行操作之間有時(shí)也需相互通信。這些用常規(guī)方法是難以實(shí)現(xiàn)的。(3).結(jié)構(gòu)復(fù)雜、移植性差、維護(hù)困難：?jiǎn)纹C(jī)功能的復(fù)雜化，使軟件越來(lái)越復(fù)雜，特別是為了實(shí)現(xiàn)并行操作，需使用大量的中斷和標(biāo)志，使程序結(jié)構(gòu)十分混亂，難以設(shè)計(jì)和調(diào)試。同時(shí)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(hù)性。為了解決以上的問(wèn)題，可以把應(yīng)用軟件按所完成的功能分成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的、但可以并行運(yùn)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(jì)算任務(wù)、定時(shí)打印任務(wù)等。這樣，整個(gè)應(yīng)用軟件有各個(gè)任務(wù)所組成，設(shè)計(jì)、調(diào)試時(shí)可分別進(jìn)行。修改時(shí)只可修改個(gè)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(shí)現(xiàn)任務(wù)間的相互通信，當(dāng)應(yīng)用程序處理的任務(wù)較多，尤其要求同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)以上的工作和任務(wù)時(shí)，在軟件設(shè)計(jì)中引入實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)(RealTimeOperatingSystem,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(zhǎng)期以來(lái)，在國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方式是：針對(duì)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(jī)制的優(yōu)勢(shì)在于流程直觀。這種方法的缺點(diǎn)是：除中斷服務(wù)程序以外，各程序模塊沒(méi)有優(yōu)先級(jí)的區(qū)別，被主循環(huán)簡(jiǎn)單地輪轉(zhuǎn)調(diào)用，實(shí)時(shí)性差，響應(yīng)時(shí)間無(wú)法預(yù)料；而且，當(dāng)一個(gè)任務(wù)申請(qǐng)不到資源，或循環(huán)過(guò)程中由于某種原因無(wú)法跳出循環(huán)時(shí)，其他任務(wù)將得不到響應(yīng)，當(dāng)程序很小時(shí)，雖然可通過(guò)設(shè)置Watchdog，利用中斷等方法來(lái)解決上述矛盾。如果程序變得較大，將大大增加開(kāi)發(fā)時(shí)間和調(diào)試難度，復(fù)雜度不堪想象。正是上述的缺點(diǎn)，在干擾嚴(yán)重的情況下，系統(tǒng)安全性差。另一重要原因是提高開(kāi)發(fā)效率，縮短開(kāi)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(dòng)后，首先運(yùn)行的是背景程序，用戶的應(yīng)用程序是運(yùn)行于其上的各個(gè)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(zhǎng)的一段時(shí)間，很多測(cè)控應(yīng)用領(lǐng)域，微處理器只需8位或16位單片機(jī)就可勝任,對(duì)于這樣低端的產(chǎn)品開(kāi)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C/OS-II、RTX、CMX等來(lái)完成軟件設(shè)計(jì)。在應(yīng)用中，已經(jīng)能夠明顯減少系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)工作量，并提高了系統(tǒng)的可靠性?？紤]到系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用，在硬件設(shè)計(jì)方面，微控制器選用了臺(tái)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(qiáng)大的片內(nèi)資源，只需選用少量的外圍器件即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的要求。溫度測(cè)量利用Pt（100）熱敏電阻，測(cè)量的模擬信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后送入微處理進(jìn)行處理。模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用凌特公司(LinearTechnology)推出的20位無(wú)延遲模數(shù)轉(zhuǎn)換器LTC2430，此模塊可直接對(duì)測(cè)量的毫伏級(jí)信號(hào)進(jìn)行處理，并能夠達(dá)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(jì)基于軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)C/OS-II，它是由Labrosse先生編寫的一個(gè)開(kāi)放式內(nèi)核，最主要的特點(diǎn)就是源碼公開(kāi)，此RTOS的更多優(yōu)點(diǎn)在第三章有詳細(xì)論述。一方面它是免費(fèi)的，另一方面用戶可以根據(jù)自己的需要對(duì)它進(jìn)行修改。由于它沒(méi)有功能強(qiáng)大的軟件包，基于具體應(yīng)用需要自己編寫驅(qū)動(dòng)程序，為使其能夠正常工作，要根據(jù)具體的硬件平臺(tái)完成相應(yīng)的移植工作。C/OS-II是一個(gè)占先式的內(nèi)核，即已經(jīng)準(zhǔn)備就緒的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)可以剝奪正在運(yùn)行的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的CPU使用權(quán)。這個(gè)特點(diǎn)使得它的實(shí)時(shí)性比非占先式的內(nèi)核要好。在設(shè)計(jì)中，給予不同任務(wù)不同的優(yōu)先級(jí)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。對(duì)溫度控制方面，采用了一種基于時(shí)間最優(yōu)控制的PID算法實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度控制。除了實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)了PC機(jī)利用ISP技術(shù)進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)遠(yuǎn)程加載和升級(jí)。另一方面，利用RS232串行通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)與系統(tǒng)的通信，并可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。從而實(shí)現(xiàn)了微機(jī)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(dāng)今IT行業(yè)又一熱點(diǎn)開(kāi)始，結(jié)合當(dāng)前微機(jī)控制領(lǐng)域存在的問(wèn)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(shí)現(xiàn)方案。第二章嵌入式系統(tǒng)本章首先對(duì)嵌入式系統(tǒng)的歷史進(jìn)行論述，引出其當(dāng)前的定義，并提出了RTOS所要解決的幾個(gè)問(wèn)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，分析了當(dāng)前嵌入式處理器的分類以及當(dāng)前流行嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn)。最后論述了嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工具及應(yīng)用狀況，并對(duì)嵌入式系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)加以展望。第三章系統(tǒng)的開(kāi)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(duì)系統(tǒng)選用的主控芯片SM5964的特性進(jìn)行了介紹，并根據(jù)嵌入式操作系統(tǒng)的選取原則，對(duì)系統(tǒng)選用的RTOS-C/OS-II的特點(diǎn)進(jìn)行了論述。然后根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用介紹了對(duì)實(shí)時(shí)內(nèi)核進(jìn)行的擴(kuò)展。最后，闡述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用的嵌入式系統(tǒng)軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)和測(cè)試技術(shù)。第四章系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)本章中論述了本課題的核心，詳細(xì)論述了實(shí)現(xiàn)對(duì)多點(diǎn)溫度進(jìn)行控制的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。從對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行論述開(kāi)始，然后完成根據(jù)具體的硬件平臺(tái)進(jìn)行操作系統(tǒng)的移植工作。最后對(duì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，在軟件設(shè)計(jì)中，把系統(tǒng)的軟件分成人機(jī)交互、串行通信、溫度的測(cè)量及控制、遠(yuǎn)程加載等四大模塊，并對(duì)每一?？斓木唧w實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)論述。第五章PC側(cè)程序的設(shè)計(jì)本章中論述了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和ISP功能主控側(cè)程序的實(shí)現(xiàn)，模擬實(shí)現(xiàn)了主從式微機(jī)控制系統(tǒng)主控方的程序設(shè)計(jì)。首先論述了VC+對(duì)多線程的支持以及多線程編程中的關(guān)鍵問(wèn)題，然后詳細(xì)闡述了主機(jī)側(cè)通信功能和ISP功能的設(shè)計(jì)。第六章系統(tǒng)的擴(kuò)展及總結(jié)本章簡(jiǎn)要介紹了在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)功能的方法，對(duì)整個(gè)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)展和應(yīng)用是現(xiàn)代信息社會(huì)的一個(gè)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(duì)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展方向和趨勢(shì)作一定的論述，對(duì)于了解嵌入式系統(tǒng)及其開(kāi)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(fēng)靡起來(lái)的，但從20世紀(jì)70年代單片機(jī)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(gè)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(jī)的。20世紀(jì)70年代單片機(jī)的出現(xiàn)，使得汽車、家電、工業(yè)機(jī)器、通信裝置以及成千上萬(wàn)種產(chǎn)品可以通過(guò)內(nèi)嵌電子裝置來(lái)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(diǎn)，但是這時(shí)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(kāi)始，嵌入式系統(tǒng)的程序員開(kāi)始用商業(yè)級(jí)的"操作系統(tǒng)"編寫嵌入式應(yīng)用軟件，這使得開(kāi)發(fā)人員可以進(jìn)一步縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本并提高開(kāi)發(fā)效率。1981年，ReadySystem開(kāi)發(fā)出世界上第一個(gè)商業(yè)嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核（VTRX32）。這個(gè)實(shí)時(shí)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(shí)鐘管理等功能。如IntegratedSystemIncorporation(ISI)(現(xiàn)已被風(fēng)河公司收購(gòu))的pSOS和WindRiver(風(fēng)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(diǎn)：系統(tǒng)內(nèi)核很小，具有可裁減性、可擴(kuò)充性和可移植性，可以移植到各種處理器上；較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，適合嵌入式應(yīng)用。這些嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員從小范圍的開(kāi)發(fā)中解放出來(lái)，同時(shí)也促使嵌入式有了更為廣闊的應(yīng)用空間。