【導(dǎo)讀】嵌入式系統(tǒng)在多點溫度控制中的應(yīng)用

　　

【正文】 入式系統(tǒng)在多點溫度控制中的應(yīng)用 12 圖 31 SM5964模塊圖 嵌入式操作系統(tǒng) μ C/OSII 在進行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計時，選擇適合自己的實時操作系統(tǒng)是至關(guān)重要的，我結(jié)合具體的應(yīng)用，考慮開發(fā)成 本等因素，根據(jù)嵌入式操作系統(tǒng)的選取原則并基于μ C/OSII的許多特點，選用了源代碼公開的 實時操作系統(tǒng) μ C/OSII。 μ C/OSII 的主要特點 它是由 Labrosse先生編寫的一個開放式內(nèi)核， 主要特點如下： 嵌入式系統(tǒng)在多點溫度控制中的應(yīng)用 12 ? 公開源代碼：源代碼全部公開，這樣使系統(tǒng)變得透明，很容易就能把操作系統(tǒng)移植的各個不同的硬件平臺上，并可根據(jù)需要進行擴充。 ? 可移植性： μ C/OSII絕大部分源碼是用 ANSI C寫的，可移植性（ Portable）較強。它可以在絕大多數(shù) 8位、 16位、 32位甚至 64位微處理器、微控制器、數(shù) 字信號處理器（ DSP）上運行。 ? 可固化：μ C/OSII是為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計的，可以嵌入到開發(fā)者的產(chǎn)品中成為產(chǎn)品的一部分。 ? 可裁減：可以根據(jù)具體的應(yīng)用，對內(nèi)核進行裁減，其內(nèi)核最小可達到 2KB。 ? 占先式：μ C/OSII完全是占先式（ Preemptive）的實時內(nèi)核，總是運行在就緒條件下優(yōu)先級最高的任務(wù)。大多數(shù)商業(yè)內(nèi)核也是占先式的，μC/OSII在性能上與它們類似。 ? 多任務(wù)：μ C/OSII可以管理 64個任務(wù)，系統(tǒng)本身保留 8個，應(yīng)用程序最多可以有 56個任務(wù)，賦予每個任務(wù)的優(yōu)先級必須不同。 ? 可確定性：全部μ C/OSII的函數(shù)調(diào)用與服務(wù)的執(zhí)行時間具有其可確定性。μ C/OSII的系統(tǒng)服務(wù)的執(zhí)行時間不依賴于應(yīng)用程序任務(wù)的多少。 ? 任務(wù)棧：每個任務(wù)有自己單獨的棧，μ C/OSII允許每個任務(wù)有不同的?？臻g，以便壓低應(yīng)用程序?qū)?RAM的需求。使用μ C/OSII的?？臻g校驗函數(shù)，可以確定每個任務(wù)到底需要多少?？臻g。 ? 系統(tǒng)服務(wù)：μ C/OSII提供很多系統(tǒng)服務(wù)，例如郵箱、消息隊列、信號量、塊大小固定的內(nèi)存的申請和釋放、時間相關(guān)函數(shù)等。 ? 中斷管理：中斷可以使正在執(zhí)行的任務(wù)暫時掛起，如果優(yōu)先級更高的任務(wù)被該中斷喚醒，則高優(yōu)先級 的任務(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 255層。 ? 穩(wěn)定性與可靠性：μ C/OSII自 1992年以來已經(jīng)有很多成功的商業(yè)應(yīng)用，其穩(wěn)定性和可靠性都有很好的保證。 μ C/OSII 硬件和軟件體系結(jié)構(gòu) μ C/OSII的內(nèi)核是占先式（ Preemptive） 內(nèi)核，即總是讓就緒態(tài)的高優(yōu)先級的任務(wù)先運行，中斷服務(wù)程序可以搶占 CPU，當中斷服務(wù)程序完成時，內(nèi)核讓此時優(yōu)先級最高的任務(wù)運行。這樣使系統(tǒng)的響應(yīng)時間得到最優(yōu)化，而且是可知的。它完成了任務(wù)管理、任務(wù)間的通信和同步、內(nèi)存管理、時間管理和 中斷管理。其硬件和軟件體系結(jié)構(gòu)如圖 32所示 嵌入式系統(tǒng)在多點溫度控制中的應(yīng)用 12 圖 32 1).任務(wù)的管理 它包括任務(wù)的創(chuàng)建、刪除、掛起和恢復(fù)等。在嵌入式系統(tǒng)中每個任務(wù)是一個無限的循環(huán)，它看起來像其他 C的函數(shù)一樣，有函數(shù)返回類型，有形式參數(shù)變量，但是任務(wù)是絕不會返回的，故返回參數(shù)必須定義為 Void。格式如下： void Task1(void *ppdata) { for(；； ) { /* 用戶代碼 */ /*調(diào)用μ C/OSII的某種系統(tǒng)服務(wù) */ } } 任務(wù) 的創(chuàng)建函數(shù)如下： INT8U OSTaskCreate(void (*task)(void *pd),void *ppdata, OS_STK *ptos, INT8U prio)； 其中 :task是任務(wù)代碼的指針； ppdata是當任務(wù)開始執(zhí)行時傳遞給任務(wù)的參數(shù)指針； ptos是分配給任務(wù)的堆棧的棧頂指針； prio是分配給任務(wù)的優(yōu)先級。 任務(wù)刪除函數(shù)為： INT8U OSTaskDel(INT8U prio)。 任務(wù)掛起函數(shù)為： INT8U OSTaskSuspend (INT8U prio)。 任務(wù)恢復(fù)函數(shù)為： INT8U OSTaskResume (INT8U prio)。 系統(tǒng)中每個任務(wù)有掛起、就緒、運行及休眠等狀態(tài)，各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖 33所示。 嵌入式系統(tǒng)在多點溫度控制中的應(yīng)用 12 圖 33 2).任務(wù)間的通信 在μ C/OSII中，有多種方法可以保護任務(wù)之間的共享數(shù)據(jù)和提供任務(wù)之間的通信，下面介紹三種： 一是利用宏 OS_ENTER_CRITICAL()和 OS_EXIT_CRITICAL()來關(guān)閉中斷和打開中斷。當兩個任務(wù)或者一個任務(wù)和一個中斷服務(wù)子程序共享某些數(shù)據(jù)時，可以采用這種方法 。 二是利用函數(shù) OSSchedLock()和 OSSchedUnlock()對任務(wù)調(diào)度函數(shù)上鎖和開鎖，禁止任務(wù)調(diào)度。用這種方法也可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。 三是任務(wù)間的通信和同步采用信號量、郵箱和消息隊列來實現(xiàn)的。 3).內(nèi)存管理 采用把連續(xù)的大塊按分區(qū)來管理。每個分區(qū)中包含有正整數(shù)個大小相同的內(nèi)存塊，μ C/OSII 對 malloc()和 free()函數(shù)進行了改進，使得它們可以分配和釋放固定大小的內(nèi)存塊。用戶的應(yīng)用程序可以從不同的內(nèi)存分區(qū)中取得不同大小的內(nèi)存塊，但是特定的內(nèi)存塊在釋放時必須重新放回它以前所屬于的內(nèi) 存分區(qū)。采用這種內(nèi)存管理方法，解決了內(nèi)存碎片問題。 主要相關(guān)函數(shù)：建立內(nèi)存分區(qū)（ OSMemCreate()），分配內(nèi)存塊（ OSMemGet()） ,釋放內(nèi)存塊（ OSMemPut()） 。 4). 時間管理 μ C/OSII 要求用戶提供定時中斷來實現(xiàn)延時與超時控制等功能，這個定時中斷成為時鐘節(jié)拍，它一般每秒發(fā)生 10 至 100 次，時鐘節(jié)拍的頻率越高，系統(tǒng)的負荷越嚴重。其實際大小可由用戶的應(yīng)用程序來決定。時間管理主要是完成任務(wù)的延時及系統(tǒng)時間的更改。 嵌入式系統(tǒng)在多點溫度控制中的應(yīng)用 12 針對應(yīng)用對內(nèi)核進行的擴充 由于μ C/OSII 僅是一 個實時內(nèi)核，不像其它的實時操作系統(tǒng)那樣提供給用戶的只是一些 API 函數(shù)接口，把它移植到目標硬件平臺只是系統(tǒng)設(shè)計工作的開始，還需要針對實際的應(yīng)用需求對其進行功能擴展，包括底層的硬件驅(qū)動、文件系統(tǒng)、用戶圖形接口（ GUI） 、網(wǎng)絡(luò)功能等，從而建立一個實用的 RTOS。下面僅對外設(shè)及驅(qū)動程序進行論述。 外設(shè)驅(qū)動程序可以對系統(tǒng)提供訪問外圍設(shè)備的接口，把操作系統(tǒng)（軟件）和外圍設(shè)備（硬件）分離開來。當外圍設(shè)備改變的時候，只需更換相應(yīng)的驅(qū)動程序，不必修改操作系統(tǒng)的內(nèi)核以及運行在操作系統(tǒng)的軟件。下面僅建立用到的外設(shè)驅(qū)動程序標準接口 。 ⑴ 串行口（ UART） 串行口符合 RS232 標準，通信的最高速度可以達到 115200bps。建立的接口函數(shù)如下： ? Uart_Init 定義： void Uart_Init (INT16U mclk, INT16U baud)； 功能：初始化串行口，設(shè)置串行口通信的波特率 參數(shù)說明： mclk：系統(tǒng)的主時鐘頻率。 baud：所設(shè)定的串行口通信波特率 ? Uart_SendStr 定義： void Uart_SendStr(char * str,? ..)； 功能：輸出字符串到 串口 參數(shù)說明： str：輸出到串行口的字符串。 ? Uart_Getch 定義： char Uart_Getch()； 功能：接收串口的數(shù)據(jù)，收到數(shù)據(jù)時返回，返回串口接收到的數(shù)據(jù)。 ? Uart_Sendch 定義： void Uart_Sendch(char data) 功能：向串口發(fā)送數(shù)據(jù) 參數(shù)說明： data：發(fā)送的數(shù)據(jù) ⑵ 液晶顯示驅(qū)動程序 系統(tǒng)設(shè)計中選用的 LCD 是 北京精電蓬遠顯示技術(shù)公司生產(chǎn)的 MGLS12864，內(nèi)部有控制電路，在系統(tǒng)的內(nèi)存里開辟了一塊內(nèi)存作為液晶屏顯示的后臺 緩沖區(qū)LCDBuffer,用于保存要顯示的內(nèi)容。對于不同的液晶屏顯示只需要改動 和 中的程序即可。 液晶模塊有兩種工作模式：圖形方式和文本方式。在圖形方式下，模塊上的緩沖區(qū)映射的是液晶屏上顯示的圖形點陣；在文本方式下，模塊上的緩沖區(qū)對應(yīng)的是液晶屏上顯示的文本字符，包括英文字符和英文標點符號。在此對漢字顯示僅作演示之用。 嵌入式系統(tǒng)在多點溫度控制中的應(yīng)用 12 液晶屏的操作主要包括：初始化、設(shè)置工作模式（文本或者圖形）、更新顯示。接口函數(shù)如下： ? LCD_Init 定義： void LCD_Init(void)； 功能：初始 化 LCD，在系統(tǒng)啟動時此函數(shù)被調(diào)用。 ? LCD_Pritf 定義： void LCD_Printf(char *str,? )。 功能：在 LCD的文本方式下輸出字符串。 參數(shù)說明： str:所輸出的字符串 ? LCD_ChangeMode 定義： void LCD_ChangeMode( INT8U mode)； 功能：改變 LCD 的工作模式 參數(shù)說明： mode: 設(shè)定的 LCD 的顯示模式， 0 表示文本模式， 1 表示圖形模式 ? LCD_Refresh 定義： void LCD_Refresh (INT8U col,INT8U row ,char *str ) 功能：更新 LCD 的顯示，把后臺緩沖區(qū) LCDBuffer[][]中的內(nèi)容更新到 LCD 的顯示屏上。 參數(shù)說明： col: 顯示字符串的起始列數(shù)。 row: 顯示字符串的起始列數(shù)。 str: 需要顯示的內(nèi)容 ⑶ 鍵盤驅(qū)動程序 鍵盤的相關(guān)驅(qū)動函數(shù)如下： ? GetKey 定義： INT8U GetKey ( )； 功能：獲得被按下的鍵數(shù)，返回值中指示出哪個鍵被按下。 ? GetScanKey 定義： INT8U GetScanKey ( ) 功能：對各個按鍵進 行掃描，從而確定其狀態(tài)。相應(yīng)位指示其是否被按下（ 1 表示按下， 0表示斷開）。 ⑷ A/D 驅(qū)動程序 系統(tǒng)中采用 20 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 LTC2430，完成對溫度信號的測量，將模擬信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號之后，傳給處理器進行相關(guān)的處理。根據(jù)其轉(zhuǎn)換特性，設(shè)計的函數(shù)接口如下： ? 2430_Check 定義： INT8U 2430_Check ( )； 功能：檢查本次模數(shù)轉(zhuǎn)換是否完成。返回值為 0時，正在進行轉(zhuǎn)換，否則轉(zhuǎn)換結(jié)束。 ? 2430_ReadValue 定義： INT16U 2430_ReadValue ( ) 功能：讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果并返回其值。 嵌入式系統(tǒng)在多點溫度控制中的應(yīng)用 12 /硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù) 傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計方法如圖 34所示，硬件和軟件的分為兩個獨立的部分，有硬件工程師和軟件工程師按照擬定的設(shè)計流程分別完成。這種設(shè)計方法只能改善硬件 /軟件各自的性能，而有限的設(shè)計空間不可能對系統(tǒng)做出較好的性能綜合優(yōu)化。 20 世紀 90年代初，國外有些學(xué)者提出“這種傳統(tǒng)的設(shè)計方法，只是早期計算機技術(shù)落伍的產(chǎn)物，它不能求出適合于某個專用系統(tǒng)的最佳計算機應(yīng)用系統(tǒng)的解”。因為，從理論上來說，每一個應(yīng)用系統(tǒng)的，都存在一個適合于該系統(tǒng) 的硬件、軟件功能的最佳結(jié)合，如何從應(yīng)用系統(tǒng)的需求出發(fā)，依據(jù)一定的指導(dǎo)原則和分配算法對硬件 /軟件功能進行分析及合理的劃分，從而使得系統(tǒng)的整體信能、運行時間、能量損耗。存儲能量達到最佳狀態(tài)，已成為硬件 /軟件協(xié)同設(shè)計的重要研究內(nèi)容之一。 應(yīng)用系統(tǒng)的多樣性和復(fù)雜性，使硬件 /軟件的功能劃分與分配、系統(tǒng)優(yōu)化、系統(tǒng)綜合、模擬仿真存在許多研究解決的問題，因而使國際上這個領(lǐng)域的研究日益活躍。 系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計與傳統(tǒng)的設(shè)計相比有以下兩個顯著的區(qū)別： （ 1） 描述硬件和軟件使用統(tǒng)一的表示形式。 （ 2） 硬件 /軟件劃分可 以選擇多種方案，直到滿足要求。 顯然，這種設(shè)計方法對于具體的應(yīng)用系統(tǒng)而言，容易獲得滿足綜合性能指標的最佳解決方案。傳統(tǒng)方法雖然也可以改進硬件軟件性能，但由于這種改進是各自獨立進行的，不一定使系統(tǒng)綜合性能達到最佳。 傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)采用的是軟件開發(fā)與硬件開發(fā)分離的方式，其過程可以描述如下： （ 1） 需求分析 （ 2） 軟硬件分別設(shè)計、開發(fā)、調(diào)試、測試、 （ 3） 系統(tǒng)集成，軟硬件集成。 （ 4） 集成測試 （ 5） 若系統(tǒng)正確，則結(jié)束、否則繼續(xù)進行。 需求分析總體設(shè)計 嵌入式系統(tǒng)硬件開發(fā) 嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā) 嵌入式系統(tǒng)集成、測試、驗證 圖 34傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計 方法 嵌入式系統(tǒng)在多點溫度控制中的應(yīng)用 12 （ 6） 若出現(xiàn)錯誤，需要對軟硬件分別驗證和修改。 （ 7） 返回 3，繼續(xù)進行集成測試。 雖然在系統(tǒng)設(shè)計的初始階段考慮了 軟硬件的接口問題，但由于軟硬件分別開發(fā)，各自部分的修改和缺陷很容易導(dǎo)致系統(tǒng)集成出現(xiàn)錯誤、由于設(shè)計方法的限制，這些錯誤不但難于定位，而