【正文】 接口電路如圖 32 所示： 圖 32 脈沖信號檢測接口電路原理圖 哈爾濱遠東理工學院學士學位論文 15 D/A 輸出接口電路 控制器的 D/A 輸。電路原理圖如 31 所示： 圖 31 A/D 采樣接口電路原理圖 脈沖信號檢測接口電路 為了使嵌入式控制器能夠測量控制生產(chǎn)過程中的傳送速度，本設(shè)計使用了一個光電轉(zhuǎn)速傳感器，把速度信號轉(zhuǎn)化為脈沖信號輸入控制器。 A/D 轉(zhuǎn)換器使用 LP2210自帶的 10 位逐次逼近式 A/D，測量范圍是 0~。本課題根據(jù)配料稱重控制器的要求重新設(shè)計了外圍接口電路。接著分析了運行環(huán)境所要完成的功能和數(shù)據(jù)處理流程，提出了嵌入式組態(tài)軟件運行環(huán)境的設(shè)計思想 ，最后詳細闡述了各個組態(tài)支撐模塊的設(shè)計思想。首先詳細介紹了嵌入式控制器組態(tài)軟件運行環(huán)境選用的 ARM7 微處理器和基于此微處理器的硬件平臺，以及嵌入式實時操作系統(tǒng) μC/OSII。應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)人員在嵌入式組態(tài)軟件開發(fā)環(huán)境中根據(jù)需要完成控制算法的選擇和參數(shù)配置，下載至運行環(huán)境中就可以使生成的嵌入式 控制器按照要求完成控制功能，從而實現(xiàn)對外部設(shè)備工作過程的精確控制和有序的調(diào)度管理。 為了體現(xiàn)嵌入式控制器組態(tài)軟件運行環(huán)境的通用性，控制算法模塊應(yīng)該包含多種不同的控制算法，以編號區(qū)別，讓用戶根據(jù)需要自由地選擇使用適合不同被控對象的特定算法。在計算機科學中，控制算法要用計算機語言描述，代表用計算機解一類問題精確、有效地方法。然后將采集到的數(shù)據(jù)、頻率值等保存在數(shù)據(jù)管理模塊的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，由控制算法模塊調(diào)用；再把數(shù)據(jù)管理模塊發(fā)送來的控制量和命令，通過 PWM 等輸出通道送至相應(yīng)設(shè)備，完成系統(tǒng)控制功能。 I/O 模塊首先根據(jù)數(shù)據(jù)管理模塊接收到的組態(tài)配置 文件中有關(guān)輸入輸出部分的配置參數(shù)來初始化相關(guān)硬件。在系統(tǒng)運行時，數(shù)據(jù)管理模塊也可通過通信模塊將一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳送至上位機，以方便工作人員的進一步分析。當其接收到上位機要發(fā)送新的組態(tài)配置文件的請求時 ，會立即通知數(shù)據(jù)管理模塊，確定是否接收組態(tài)配置文件。 通信模塊通過調(diào)用 UART 驅(qū)動程序來對串口進行接收、發(fā)送操作，完成組態(tài)配置文件的 下載和嵌入式控制器中現(xiàn)場數(shù)據(jù)的上傳等功能。 圖形顯示模塊首先根據(jù)數(shù)據(jù)管理模塊接收到的組態(tài)配置文件中有關(guān)圖形界面部分的配置參數(shù)來初始化人機界面，包括界面窗口的大小、位置和標題欄，菜單按鈕的位置、標題提示，以及系統(tǒng) 界面中其他圖形、文字顯示的初始化等。 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界面；當系統(tǒng)運行后， 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)過一系列由用戶指定的處理方式，最終形成具有實際意義的工程數(shù)據(jù)，再傳給圖形顯示模塊實時顯示，或通過 I/O 模塊輸出至執(zhí)行機構(gòu)完成自動控制；操作人員的控制命 令通過圖形顯示模塊也傳給本模塊，進行相應(yīng)的處理后，由數(shù)據(jù)管理模塊協(xié)調(diào)各模塊來完成控制功能；對于用戶需要保存的有關(guān)數(shù)據(jù)，則可以進行存儲操作。 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界面；當系統(tǒng)運行后， 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。它是數(shù)據(jù)處理中心，通信模塊發(fā)送來的配置文件、 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。此嵌入式組態(tài)軟件運行環(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)計思想。 嵌入式組態(tài)軟件運行環(huán)境設(shè)計思想 研究嵌入式組態(tài)軟件的主要目的是讓用戶在設(shè)計應(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)動程序以及控制程序等時機編程工作，只需在開發(fā)環(huán)境中進行界面編輯，系統(tǒng)軟、硬件參數(shù)配置，并加入控制流程算法實現(xiàn)，就可以生成滿足用戶需要的自動監(jiān)控系統(tǒng)來執(zhí)行特定的控制任務(wù)。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。當系統(tǒng)開始運行時，現(xiàn)場采集到的實時數(shù)據(jù) (模擬量和識字量 )都交給數(shù)據(jù)管理模塊，由它來統(tǒng)一進行管理。 組態(tài)支撐模塊 嵌入式操作系統(tǒng) 板級支持包 硬件平臺 運行環(huán)境 哈爾濱遠東理工學院學士學位論文 11 嵌入式組態(tài)軟件運行環(huán)境數(shù)據(jù)處理流程 嵌入式組態(tài)軟件運行環(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)所指定的各項功能。嵌入式組態(tài)軟件運行環(huán)境需要具有與上位機通信的功能來接收開發(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)場的檢測數(shù)據(jù)。 。由 I/O 接 口輸入的模擬量和狀態(tài)量都會以一定的形式存入數(shù)據(jù)庫，方便用戶查詢、分析被控對象的工作狀態(tài)；或是繪制實時曲線圖，使用戶更加直觀的看到被控對象的狀態(tài)變化。嵌入式組態(tài)軟件運行環(huán)境的硬件平臺中包括了各種 I/O接口，可進行模擬量采集、狀態(tài)量檢測、脈沖頻率檢測等操作，也可將計算所得的控制量和操作人員的控制命令通過 D/A 或 DO 的方式輸出至執(zhí)行機構(gòu)，來達到控制目的。嵌入式組態(tài)軟件的運行環(huán)境能夠根據(jù)組態(tài)配置文件在硬件平臺的顯示設(shè)備 (一般是 LCD)中顯示生成良好的應(yīng)用系統(tǒng)界面，以圖形動畫或可變文字的形式來實時反映被控對象的狀態(tài)；提供友好的人機交互接口，方便工程人員發(fā)出各種控制命令。 嵌入式組態(tài)軟件運行環(huán)境分析 嵌入式組態(tài)軟件運行環(huán)境的功能 嵌入式組態(tài)軟件運行環(huán)境作為一個獨立的運行系統(tǒng)，通過接收開發(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。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：人機界面 HMI 模塊 (包括趨勢圖、報警及 報表等可選模塊 )、實時數(shù)據(jù)庫模塊、邏輯和流程控制 Control 模塊及通信、 Inter 模塊等。一旦組態(tài)工作完成，并且將組態(tài)好的工程通過串口或以太網(wǎng)下載到下位機的運行環(huán)境中，組態(tài)工程就可以離開開發(fā)環(huán)境而獨立運行在下位機上，從而實現(xiàn)了嵌入式控制系統(tǒng)的可靠性、實時性、確定性和安全性。 嵌入式組態(tài)軟件運行環(huán)境 嵌入式組態(tài)軟件運行環(huán)境是一個獨立的運行系統(tǒng)，它按照開發(fā)環(huán)境中用戶定的方式進行各種處理，完成用戶組態(tài)設(shè)計的目標和功能。 嵌入式組態(tài)軟件開發(fā)環(huán)境 嵌入式組態(tài)軟件開發(fā)環(huán)境運行于人機界面良好的 Windows 系統(tǒng)上，為嵌入式控制系統(tǒng)提供了一個設(shè)計平臺，通過這個平臺開發(fā)人員可以方便的進行控制系統(tǒng)人機界面設(shè)計、硬件參數(shù)配置、實時數(shù)據(jù)庫設(shè)計、控制流程設(shè)計等操作，然后將組態(tài) 結(jié)果轉(zhuǎn)換為運行環(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)打開查看和修改，將組態(tài)配置文件下載到運行環(huán)境中。運行環(huán)境所在的嵌入式系統(tǒng)由硬件平臺和軟件部分組成，軟件又分為操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件兩個部分。 嵌入式組態(tài)軟件運行環(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，都由開發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境組成。 μC/OSII 在一個航空項目中得到了美國聯(lián)邦航空管理局對于商用飛機的、符合 RTCA DO178B 標準的認證。如果優(yōu)先級更高的 任務(wù)被中斷喚醒，則高優(yōu)先級任務(wù)在中斷嵌套全部退出后立即執(zhí)行，中斷嵌套層數(shù)可達到 255 層。 哈爾濱遠東理工學院學士學位論文 9 。 。 μC/OSII 語序每個任務(wù)有不同的?？臻g，以便壓低應(yīng)用程序?qū)?RAM 的需求。 。絕大多數(shù) μC/OSII 的函數(shù)調(diào)用和服務(wù)的執(zhí)行時間具有可確定性。 μC/OSII 可以管理 64 個任務(wù)，其中建議保留 8 個給系統(tǒng)任務(wù)，這樣用戶的應(yīng)用程序最多可有 56 個任務(wù)，賦予每個任務(wù)的優(yōu)先級必須是不相同的，所以 μC/OSII 不支持時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法 (roundrobin scheduling)。 μC/OSII 是完全可剝奪型的實時內(nèi)核，即 μC/OSII 總是運行就緒條件下優(yōu)先級最高的任務(wù)?？筛鶕?jù)具體應(yīng)用程序的需要來選擇使用 μC/OSII 中的系統(tǒng)服務(wù)，這樣可以減少產(chǎn)品中 μC/OSII 所需的存儲空間 (RAM 和 ROM)。 μC/OSII是為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計的，這就意味著，只要具備核實的系列軟件工具 (C 編譯、匯編、鏈接及下載 /固化 )，實際上就可以將 μC/OSII 嵌入到產(chǎn)品中作為產(chǎn)品的一部分。匯編語言寫的部分已經(jīng)壓到最低限度，以使μC/OSII 便于移植到其他微處理器上。 (portable)。 μC/OSII 有以下一些特點： ， μC/OSII的源代碼可從 MicroC/OSII The RealTime Kernel， Second Edition一書中獲得，也可從其他出版物或網(wǎng)絡(luò)上獲得。 μC/OSII 是用 ANSI 的 C 語言編寫 的，包含一小部分匯編語言代碼，使之可供不同架構(gòu)的微處理器使用。 μC/OSII 讀作 “micro C O S 2”，意為 “微控制器操作系統(tǒng)版本 2”。 嵌入式實時操作系統(tǒng) μC/OSII 目前市場上有很多種嵌入式操作系統(tǒng)，常見的有：嵌入式 Linux、 Windows CE、VxWorks、 Nucleus、 μC/OSII等。因所需完成的目標不同，嵌入式操作系統(tǒng)必須能夠根據(jù)應(yīng)用的要求進行裁剪，去掉多余的部分，或者簡化相應(yīng)的模塊。單色 LCD 240X128dots 基于 ARM7TDMIS 核的微處理器 LCP2210 鍵盤 UART RS232 串口 存儲器系統(tǒng) SARM Flash A/D 采樣接口電路 脈沖信號檢測接口電路 D/A輸出接口電路 哈爾濱遠東理工學院學士學位論文 8 而在嵌入式系統(tǒng)中，由于沒有 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)的啟動代碼中需要考慮目標板的設(shè)計。通常這個位置是只讀內(nèi)存。 。車載、太空、強電干擾、輻射等等，都有可能造成系統(tǒng)運行指令的紊亂。它的用戶接口一般不提供操作命令，只是通過系統(tǒng)調(diào)用命令向用戶程序提供服務(wù)。包含弱交互性和強穩(wěn)定性兩層意思。嵌 入式系統(tǒng)一般是為完成一系列具體任務(wù)而設(shè)計，因而總是要求系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(nèi)完成某些操作，對中斷能做出及時準確的響應(yīng)，所以嵌入式操作系統(tǒng)必須具備實時性的特點。 。 嵌入式操作系統(tǒng)有以下幾大特點： 。如果還是采用以前的前后臺方式，則無法發(fā)揮32 位 CPU的優(yōu)勢。再次，嵌入式實時操作系統(tǒng)充分發(fā)揮了 32 位 CPU的多任務(wù)潛力。在嵌入式實時操作系統(tǒng)環(huán)境下，開發(fā)一個復(fù)雜的應(yīng)用程序，通?？梢园凑哲浖こ讨械慕怦钤瓌t將整個程序分解為多個任務(wù)模塊。這種干擾可能只是引起若干進程中的一個被破壞，可以通過系統(tǒng)運行的系統(tǒng)監(jiān)控進程對其進行修復(fù)。長期以來，前后臺 系統(tǒng)軟件設(shè)計在遇到強干擾時，運行的程序可能產(chǎn)生異常、出錯、跑飛甚至死循環(huán)，造成了系統(tǒng)的崩潰。 哈爾濱遠東理工學院學士學位論文 7 圖 21 嵌入式組態(tài)軟件運行環(huán)境硬件平臺結(jié)構(gòu)框圖 嵌入式實時操作系統(tǒng)在目前的嵌入式應(yīng)用中用得越來越廣泛，尤其在功能復(fù)雜、系統(tǒng)龐大的應(yīng)用中顯得越來越重要。具體特性如下： 靜態(tài) RAM 8 位、 16 位或 32 位總線 4 組，每組的容量高達 16MB 路 10 位 A/D 轉(zhuǎn)化器，轉(zhuǎn)換時間低至 個 32 位定時器 (帶 4 路捕獲和 4 路比較通道 )、 PWM 單元 (6 路輸出 )、實時時鐘和看門狗 ，包括 2 個 16C550 工業(yè)標準 UART、高速 I178。 基于 ARM7 的硬件平臺 本課題選用了周立功單片機公司的產(chǎn)品 EasyARM2200 作為嵌入式組態(tài)軟件運行環(huán)境的研究基礎(chǔ)。 本課題采用了 ARM7TDMIS 內(nèi)核的微處理器。 ARM7系統(tǒng)包括 ARM7TDMI、 ARM7TDMIS、帶有高速緩存處理器宏單元的 ARM720T 和擴充了 Jazelle 的 ARM7EJS 四種類型，主要用于適應(yīng)不同的市場需求。 ARM7 內(nèi)核采用馮 ?諾伊曼體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)和指令使用同一條總線。 ARM 處理器當前有 6 個產(chǎn)品系列： ARM ARM ARM9E、 ARM10E、ARM11 和 SecurCore，其中 ARM11 為最近推出的產(chǎn)品。它本身并不生產(chǎn)芯片，靠轉(zhuǎn)讓技術(shù)授權(quán)給世界上許多著名的半導體 、軟件和 OEM 廠商來生產(chǎn)各具特色的芯片。 嵌入式控制器硬件平臺 微處理器 ARM 即 Advanced RISC Machines 的縮寫。軟硬件協(xié)同設(shè)計可在設(shè)計過程的各個階段同時考慮兩者的功能和 性能，找到其最佳組合方式，并且在系統(tǒng)實現(xiàn)前就可以進行協(xié)同仿真和驗證，保證了系統(tǒng)設(shè)計的正確性和完整性。這使得軟硬件協(xié)同設(shè)計成為可能。 。這種設(shè)計方法可使軟硬件開發(fā)并行推 進，但聯(lián)調(diào)必須等到軟硬件都開發(fā)出來后才能進行。在此方法中，軟硬件劃分在系統(tǒng)開發(fā)的初期進行，一次性劃分后軟件和硬件所分配的功能就不能改變。這種設(shè)計者編寫程序，硬件設(shè)計者連接元件，兩者的設(shè)計不可能交互，必須單獨進行。 。 另外，嵌入式系統(tǒng)是被嵌入的設(shè)備機密相連的專用計算機系統(tǒng)，有很強的專用性，這就決定了其硬件平臺的多樣性，必須根據(jù)應(yīng)用的不同，