【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 可承受V電壓)，12個(gè)獨(dú)立外部中斷引腳(EINT和CAP功能)：空閑和掉電，通過(guò)外部中斷可將處理器從掉電模式中喚醒EasyARM2200開(kāi)發(fā)板的硬件配置如下:，可選用多種兼容芯片，16M位Flash，1個(gè)支持標(biāo)準(zhǔn)Modem嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖21所示： 嵌入式操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介 在嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的初期，由于硬件資源有限(微處理器運(yùn)算速度低，ROM/RAM容量小等)，系統(tǒng)規(guī)模小，控制功能簡(jiǎn)單，軟件部分一般不包括嵌入式操作系統(tǒng)，只是針對(duì)具體的應(yīng)用編寫(xiě)軟件代碼。單色LCD240X128dotsUARTRS232串口A/D采樣接口電路基于ARM7TDMIS核的微處理器LCP2210脈沖信號(hào)檢測(cè)接口電路存儲(chǔ)器系統(tǒng)SARMFlashD/A輸出接口電路鍵盤(pán)圖 21 嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在目前的嵌入式應(yīng)用中用得越來(lái)越廣泛，尤其在功能復(fù)雜、系統(tǒng)龐大的應(yīng)用中顯得越來(lái)越重要。首先，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的可靠性。長(zhǎng)期以來(lái)，前后臺(tái)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在遇到強(qiáng)干擾時(shí)，運(yùn)行的程序可能產(chǎn)生異常、出錯(cuò)、跑飛甚至死循環(huán)，造成了系統(tǒng)的崩潰。而實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)管理的系統(tǒng)。這種干擾可能只是引起若干進(jìn)程中的一個(gè)被破壞，可以通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)行的系統(tǒng)監(jiān)控進(jìn)程對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。其次提高了開(kāi)發(fā)效率，縮短了開(kāi)發(fā)周期。在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)環(huán)境下，開(kāi)發(fā)一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用程序，通?？梢园凑哲浖こ讨械慕怦钤瓌t將整個(gè)程序分解為多個(gè)任務(wù)模塊。每個(gè)任務(wù)模塊的調(diào)試、修改幾乎不影響其他模塊。再次，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)充分發(fā)揮了32位CPU的多任務(wù)潛力。32位CPU比8位、16位CPU運(yùn)行快，另外它本來(lái)就是為運(yùn)行多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，特別適于運(yùn)行多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。如果還是采用以前的前后臺(tái)方式，則無(wú)法發(fā)揮32位CPU的優(yōu)勢(shì)。在嵌入式應(yīng)用中，只有把CPU嵌入到系統(tǒng)中，同時(shí)又把操作系統(tǒng)嵌入進(jìn)去，才是真正的計(jì)算機(jī)嵌入式應(yīng)用。嵌入式操作系統(tǒng)有以下幾大特點(diǎn)：。嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件一般都固化在ROM、Flash等中，其存儲(chǔ)容量有限，所以嵌入式操作系統(tǒng)必須做到規(guī)模小以滿足嵌入式系統(tǒng)硬件的限制。是指能夠在限定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行完規(guī)定的功能并對(duì)外部的異步事件做出響應(yīng) 的能力。嵌入式系統(tǒng)一般是為完成一系列具體任務(wù)而設(shè)計(jì)，因而總是要求系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成某些操作，對(duì)中斷能做出及時(shí)準(zhǔn)確的響應(yīng)，所以嵌入式操作系統(tǒng)必須具備實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。包含弱交互性和強(qiáng)穩(wěn)定性兩層意思。嵌入式操作系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后就不需要人過(guò)多的干預(yù)。它的用戶接口一般不提供操作命令，只是通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用命令向用戶程序提供服務(wù)。由于沒(méi)有人為干預(yù)，而嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境一般又較PC運(yùn)行環(huán)境惡劣。車(chē)載、太空、強(qiáng)電干擾、輻射等等，都有可能造成系統(tǒng)運(yùn)行指令的紊亂。因此要求嵌入式操作系統(tǒng)有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，在一些進(jìn)程被損壞時(shí)可以進(jìn)行修復(fù)、清楚等操作。當(dāng)一個(gè)微處理器最初啟動(dòng)時(shí)，它首先執(zhí)行一個(gè)預(yù)定地址處的指令。通常這個(gè)位置是只讀內(nèi)存。其中存放著系統(tǒng)初始化或引導(dǎo)程序，在PC中，它就是BIOS。而在嵌入式系統(tǒng)中，由于沒(méi)有BIOS，系統(tǒng)加電后直接執(zhí)行嵌入式操作系統(tǒng)代碼，因此在嵌入式操作系統(tǒng)的啟動(dòng)代碼中需要考慮目標(biāo)板的設(shè)計(jì)。、可移植。因所需完成的目標(biāo)不同，嵌入式操作系統(tǒng)必須能夠根據(jù)應(yīng)用的要求進(jìn)行裁剪，去掉多余的部分，或者簡(jiǎn)化相應(yīng)的模塊。另外由于硬件平臺(tái)的多樣性，所以嵌入式操作系統(tǒng)還要具有較好的可移植性，來(lái)適應(yīng)不同的微處理器。 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OSII目前市場(chǎng)上有很多種嵌入式操作系統(tǒng)，常見(jiàn)的有：嵌入式Linux、Windows CE、VxWorks、Nucleus、μC/OSII等?？紤]到版權(quán)費(fèi)用，源代碼開(kāi)放和獲取渠道等問(wèn)題，本課題的研究將使用μC/OSII作為嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境的操作系統(tǒng)。μC/OSII讀作“micro C O S 2”，意為“微控制器操作系統(tǒng)版本2”。μC/OSII是一個(gè)完整的，可移植、固化、裁剪的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。μC/OSII是用ANSI的C語(yǔ)言編寫(xiě)的，包含一小部分匯編語(yǔ)言代碼，使之可供不同架構(gòu)的微處理器使用。至今，μC/OSII已在照相機(jī)行業(yè)、航空業(yè)、高端音響、醫(yī)療器械、電子樂(lè)器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、高速公路電話系統(tǒng)、自動(dòng)提款機(jī)及工業(yè)機(jī)器人等眾多領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用。μC/OSII有以下一些特點(diǎn)：，μC/OSII的源代碼可從MicroC/OSII The RealTime Kernel，Second Edition一書(shū)中獲得，也可從其他出版物或網(wǎng)絡(luò)上獲得。源代碼標(biāo)有詳盡的注解清晰易讀、結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)。(portable)。μC/OSII源碼絕大部分是用移植性很強(qiáng)的ANSI C寫(xiě)的，與微處理器硬件相關(guān)的部分是用匯編語(yǔ)言寫(xiě)的。匯編語(yǔ)言寫(xiě)的部分已經(jīng)壓到最低限度，以使μC/OSII便于移植到其他微處理器上。(ROMable)。μC/OSII是為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，這就意味著，只要具備核實(shí)的系列軟件工具(C編譯、匯編、鏈接及下載/固化)，實(shí)際上就可以將μC/OSII嵌入到產(chǎn)品中作為產(chǎn)品的一部分。(scalable)。可根據(jù)具體應(yīng)用程序的需要來(lái)選擇使用μC/OSII中的系統(tǒng)服務(wù)，這樣可以減少產(chǎn)品中μC/OSII所需的存儲(chǔ)空間(RAM和ROM)。(preemptive)。μC/OSII是完全可剝奪型的實(shí)時(shí)內(nèi)核，即μC/OSII總是運(yùn)行就緒條件下優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。μC/OSII可以管理64個(gè)任務(wù)，其中建議保留8個(gè)給系統(tǒng)任務(wù)，這樣用戶的應(yīng)用程序最多可有56個(gè)任務(wù)，賦予每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)必須是不相同的，所以μC/OSII不支持時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法(roundrobin scheduling)。絕大多數(shù)μC/OSII的函數(shù)調(diào)用和服務(wù)的執(zhí)行時(shí)間具有可確定性。也就是說(shuō)，用戶總是能知道μC/OSII的函數(shù)調(diào)用與服務(wù)執(zhí)行了多長(zhǎng)時(shí)間，并且執(zhí)行時(shí)間不依賴(lài)于用戶應(yīng)用程序任務(wù)數(shù)目的多少。每個(gè)任務(wù)都有自己?jiǎn)为?dú)的棧。μC/OSII語(yǔ)序每個(gè)任務(wù)有不同的?？臻g，以便壓低應(yīng)用程序?qū)AM的需求。使用μC/OSII的?？臻g校驗(yàn)函數(shù)，可以確定每個(gè)任務(wù)到底需要多少?？臻g。μC/OSII提供很多系統(tǒng)服務(wù)，例如信號(hào)量、互斥型信號(hào)量、時(shí)間標(biāo)志、消息郵箱、消息隊(duì)列、內(nèi)存塊的申請(qǐng)與釋放及時(shí)間管理函數(shù)等。中斷可以使正在執(zhí)行的任務(wù)暫時(shí)掛起。如果優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)被中斷喚醒，則高優(yōu)先級(jí)任務(wù)在中斷嵌套全部退出后立即執(zhí)行，中斷嵌套層數(shù)可達(dá)到255層。μC/OSII在一個(gè)航空項(xiàng)目中得到了美國(guó)聯(lián)邦航空管理局對(duì)于商用飛機(jī)的、符合RTCA DO178B標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。它的每一種功能、每一個(gè)函數(shù)及每一行代碼都經(jīng)過(guò)了考驗(yàn)與測(cè)試。 嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境整體架構(gòu) 嵌入式組態(tài)軟件結(jié)構(gòu) 嵌入式組態(tài)軟件和通用組態(tài)軟件一樣，都由開(kāi)發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境組成。如圖22所示：嵌入式操作系統(tǒng)ARM硬件平臺(tái)運(yùn)行環(huán)境串口Windows操作系統(tǒng)PC機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境圖 22 嵌入式組態(tài)軟件結(jié)構(gòu)框圖開(kāi)發(fā)環(huán)境運(yùn)行于普通的PC機(jī)上，運(yùn)行環(huán)境運(yùn)行于嵌入式系統(tǒng)上。運(yùn)行環(huán)境所在的嵌入式系統(tǒng)由硬件平臺(tái)和軟件部分組成，軟件又分為操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件兩個(gè)部分。嵌入式操作系統(tǒng)需要經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)牟眉艉鸵浦?，使得能夠適應(yīng)所用的硬件平臺(tái)，應(yīng)用軟件主要是指嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境的實(shí)現(xiàn)部分。 嵌入式組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境 嵌入式組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境運(yùn)行于人機(jī)界面良好的Windows系統(tǒng)上，為嵌入式控制系統(tǒng)提供了一個(gè)設(shè)計(jì)平臺(tái)，通過(guò)這個(gè)平臺(tái)開(kāi)發(fā)人員可以方便的進(jìn)行控制系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)、硬件參數(shù)配置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、控制流程設(shè)計(jì)等操作，然后將組態(tài)結(jié)果轉(zhuǎn)換為運(yùn)行環(huán)境能夠快速讀取的組態(tài)配置文件，將組態(tài)結(jié)果保存為文件以便重復(fù)打開(kāi)查看和修改，將組態(tài)配置文件下載到運(yùn)行環(huán)境中。 開(kāi)發(fā)環(huán)境一般包括工程管理器(包括項(xiàng)目、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)備等的管理)、畫(huà)面組態(tài)(包括趨勢(shì)圖、報(bào)警和報(bào)表)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)、控制系統(tǒng)組態(tài)(包括邏輯控制、流程控制、調(diào)試仿真工具)、編譯下載系統(tǒng)等。 嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境 嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境是一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)行系統(tǒng)，它按照開(kāi)發(fā)環(huán)境中用戶定的方式進(jìn)行各種處理，完成用戶組態(tài)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和功能。運(yùn)行環(huán)境本身沒(méi)有任何意義，必須與開(kāi)發(fā)環(huán)境生成的配置文件一起作為一個(gè)整體，才能構(gòu)成用戶應(yīng)用系統(tǒng)。一旦組態(tài)工作完成，并且將組態(tài)好的工程通過(guò)串口或以太網(wǎng)下載到下位機(jī)的運(yùn)行環(huán)境中，組態(tài)工程就可以離開(kāi)開(kāi)發(fā)環(huán)境而獨(dú)立運(yùn)行在下位機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)了嵌入式控制系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性、確定性和安全性。 運(yùn)行環(huán)境一般由硬件平臺(tái)、板級(jí)支持包(包括各種外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序，由于硬件平臺(tái)的多樣性和嵌入式系統(tǒng)資源有限，一般需要開(kāi)發(fā)者自行設(shè)計(jì))、嵌入式操作系統(tǒng)和組態(tài)支撐模塊等組成。其中組態(tài)支撐模塊大多為組件式可伸縮配置結(jié)構(gòu)，一般包括：人機(jī)界面HMI模塊(包括趨勢(shì)圖、報(bào)警及報(bào)表等可選模塊)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、邏輯和流程控制Control模塊及通信、Internet模塊等。詳細(xì)的架構(gòu)如圖23所示：組態(tài)支撐模塊嵌入式操作系統(tǒng)板級(jí)支持包硬件平臺(tái)運(yùn)行環(huán)境圖 23 嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行結(jié)構(gòu)框圖這里，嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境的硬件平臺(tái)是第2章中介紹的EasyARM2200，嵌入式操作系統(tǒng)選擇的是μC/OSII。 嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境分析 嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境的功能嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境作為一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)行系統(tǒng)，通過(guò)接收開(kāi)發(fā)環(huán)境生成的組態(tài)配置文件夾完成用戶要求的控制目標(biāo)。它具有以下以下主要功能：。嵌入式組態(tài)軟件的運(yùn)行環(huán)境能夠根據(jù)組態(tài)配置文件在硬件平臺(tái)的顯示設(shè)備(一般是LCD)中顯示生成良好的應(yīng)用系統(tǒng)界面，以圖形動(dòng)畫(huà)或可變文字的形式來(lái)實(shí)時(shí)反映被控對(duì)象的狀態(tài)；提供友好的人機(jī)交互接口，方便工程人員發(fā)出各種控制命令。嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境的硬件平臺(tái)中包括了各種I/O接口，可進(jìn)行模擬量采集、狀態(tài)量檢測(cè)、脈沖頻率檢測(cè)等操作，也可將計(jì)算所得的控制量和操作人員的控制命令通過(guò)D/A或DO的方式輸出至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，來(lái)達(dá)到控制目的。由I/O接口輸入的模擬量和狀態(tài)量都會(huì)以一定的形式存入數(shù)據(jù)庫(kù)，方便用戶查詢、分析被控對(duì)象的工作狀態(tài)；或是繪制實(shí)時(shí)曲線圖，使用戶更加直觀的看到被控對(duì)象的狀態(tài)變化。當(dāng)檢測(cè)信號(hào)發(fā)生錯(cuò)誤或超過(guò)設(shè)定的限值時(shí)，能夠進(jìn)行報(bào)警處理。嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境的軟件部分內(nèi)置了多種控制算法，例如數(shù)字PID算法、針對(duì)純滯后對(duì)象的大林算法等，用戶可以根據(jù)被控對(duì)象的特性來(lái)選擇合適的算法。嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境需要具有與上位機(jī)通信的功能來(lái)接收開(kāi)發(fā)環(huán)境中組態(tài)好的配置文件，也可以用于上傳工作現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)。常用的通信方式有串口通信，以太網(wǎng)等。 嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境數(shù)據(jù)處理流程 嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境的組態(tài)支撐模塊包括數(shù)據(jù)管理模塊、圖形顯示模塊、通信模塊等，其中數(shù)據(jù)管理模塊作為核心來(lái)組織協(xié)調(diào)各模塊之間的工作，完成應(yīng)用系統(tǒng)所指定的各項(xiàng)功能。本組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境的數(shù)據(jù)處理流程如圖24所示：界面顯示人機(jī)接口報(bào)警檢查數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)采集控制量輸出配置文件接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)核心 圖形顯示模塊A/D、D/ADI、DOI/O模塊UART通信模塊控制算法數(shù)據(jù)管理模塊圖24 嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境數(shù)據(jù)處理流程 從圖中可以看出，數(shù)據(jù)管理模塊經(jīng)由通信模塊從上位機(jī)得到組態(tài)配置文件，按照用戶要求生成應(yīng)用控制系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(模擬量和識(shí)字量)都交給數(shù)據(jù)管理模塊，由它來(lái)統(tǒng)一進(jìn)行管理。數(shù)據(jù)可簡(jiǎn)單處理后直接送給圖形顯示模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；也可經(jīng)過(guò)特定控制算法得到控制量，再由I/O模塊輸出至執(zhí)行機(jī)構(gòu)；還可做一定時(shí)段的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，方便查詢或是繪制曲線圖。操作人員的控制命令也交由數(shù)據(jù)管理模塊做出相應(yīng)的處理。運(yùn)行環(huán)境的數(shù)據(jù)與代碼是分離的，并且體現(xiàn)了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)。研究嵌入式組態(tài)軟件的主要目的是讓用戶在設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)是，不必關(guān)心具體的嵌入式操作系統(tǒng)，底層的硬件驅(qū)動(dòng)程序以及控制程序等時(shí)機(jī)編程工作，只需在開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行界面編輯，系統(tǒng)軟、硬件參數(shù)配置，并加入控制流程算法實(shí)現(xiàn)，就可以生成滿足用戶需要的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行特定的控制任務(wù)。所以，在設(shè)計(jì)嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境時(shí)，要根據(jù)所用的硬件平臺(tái)充分考慮到平臺(tái)中各種設(shè)備具體應(yīng)用情況，編寫(xiě)通用的控制程序，體現(xiàn)組態(tài)配置文件中的數(shù)據(jù)與運(yùn)行環(huán)境中的代碼分離，以數(shù)據(jù)配置、驅(qū)動(dòng)代碼的設(shè)計(jì)思想。此嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境可分為數(shù)據(jù)管理模塊、圖形顯示模塊、通信模塊和I/O模塊，分別介紹其設(shè)計(jì)思想。 數(shù)據(jù)管理模塊是本嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境的核心部件。它是數(shù)據(jù)處理中心，通信模塊發(fā)送來(lái)的配置文件、I/O模塊采集到的數(shù)據(jù)和操作人員的控制命令等所有數(shù)據(jù)都交由它來(lái)統(tǒng)一管理和調(diào)度，這樣體現(xiàn)了數(shù)據(jù)和代碼分離的特點(diǎn)。當(dāng)數(shù)據(jù)的接口定義和處理方式發(fā)生改變時(shí)，一般只需要修改本管理模塊的相關(guān)部分的代碼就可以實(shí)現(xiàn)。 數(shù)據(jù)管理模塊從通信模塊接收到組態(tài)配置文件后，按照用戶要求重新配置嵌入式，制器，并交由圖形顯示人機(jī)界面；當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行后，I/O模塊采集到的數(shù)據(jù)和操作人員的控制命令等所有數(shù)據(jù)都交由它來(lái)統(tǒng)一管理和調(diào)度，這樣體現(xiàn)了數(shù)據(jù)和代碼分離的特點(diǎn)。當(dāng)數(shù)據(jù)的接口定義和處理方式發(fā)生改變時(shí)，一般只需要修改本管理模塊的相關(guān)部分的代碼就可以實(shí)現(xiàn)。 數(shù)據(jù)管理模塊從通信模塊接收到組態(tài)配置文件后，按照用戶要求重新配置嵌入式控制器，并交由圖形顯示模塊顯示人機(jī)界面；當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行后，I/O模塊采集到的數(shù)據(jù)傳給本數(shù)據(jù)管理模塊，經(jīng)過(guò)一系列由用戶指定的處理方式，最終形成具有實(shí)際意義的工程數(shù)據(jù)，再傳給圖形顯示模塊實(shí)時(shí)顯示，或通過(guò)I/O模塊輸出至執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成自動(dòng)控制；操作人員的控制命令通過(guò)圖形顯示模塊也傳給本模塊，進(jìn)