溫度控制應用管理論文

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第一章概述

1.1引言

嵌入式系統被定義為：以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。實際上嵌入式系統是計算機的一種應用形式，是將先進的計算機技術、半導體技術和電子技術與各個行業的具體應用相結合后的產物，具有軟件代碼小、高度自動化、響應速度快等特點。因此它是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創新的知識集成系統。特別適合于要求實時的和多任務的系統。

從美國微軟"維納斯計劃"白皮書到中國中科院推出的"女媧計劃"，整個世界仿佛在一夜之間掀起了嵌入式開發與應用的熱潮，人們開始關注嵌入式技術的發展和應用情況。嵌入式系統的研究和開發也隨之走入了高校和研究所，成為人們的學科，并且相應地開發出了嵌入式操作系統，嵌入式瀏覽器和嵌入式數據庫等產品。在當前數字信息技術和網絡技術高速發展的后PC（Post-PC）時代，嵌入式系統已經廣泛地滲透到科學研究、工程設計、軍事技術、各類產業和商業文化藝術以及人們的日常生活等方方面面中。隨著國內外各種嵌入式產品的進一步開發和推廣，嵌入式技術越來越和人們的生活緊密結合。

如今嵌入式系統的應用越來越廣泛，那么嵌入式系統應用緣何能在近年來的信息技術應用中脫穎而出，成為眾多商家角逐的對象。其實原因很簡單，因為這里面蘊藏著巨大的市場，巨大的商業利益，單就電視應用而言，目前全球有2億多有線電視用戶，中國也有8000多萬戶，而且每年還在以600萬的速度遞增。如今，在這塊領域里，還沒有一家公司有成熟的產品，也沒有標準的操作系統，更沒有一個可以主導市場的壟斷者。在這種局勢下，雖然競爭將異常劇烈，但突圍的可能性也較大，只要能夠培養出自己的技術能力和市場開拓能力，是有可能取得巨大成功的。

如今嵌入式系統已經成為IT界的又一新焦點，它正處在一個飛速發展和激烈競爭的時代，它被廣泛應用到金融、航天、電信、網絡、信息家電、醫療、工業控制、軍事等各個領域。

1.2選題意義

微機控制系統是一種實時系統，所謂實時系統是指系統能及時地響應外部事件的請求，在許可的時間限制內完成對該事件的處理，并控制相應的設備完成實時操作。

為了滿足處理實時事件的要求，絕大部分單片微機都具有中斷功能。它允許在發生某一事件時（例如外部設備運行完成、定時時間到等），為了對這一事件進行處理，中止現行程序的運行而進入處理該事件的程序，處理完再返回原程序執行。

隨著單片微機應用的日益深入和廣泛，應用的水平越來越高，應用系統的功能也越來越復雜，一個系統經常需要控制多個對象，并且這些對象都要求實時操作。特別是現在已開始大量使用多機系統，它們一般為主從結構的多機控制系統。從機完成數據采集、計算、控制等功能。主機可向從機發命令，修改從機的參數，而從機可向主機回送結果和數據。在這樣的系統中，主從機通信與從機的數據采集、計算、控制等必須并行進行，即從機在通信和執行主機的命令時，也不能影響其它操作。因此，較復雜的單片微機實時系統特別是多機系統，均要求單片微機系統具有同時進行多種實時操作的能力，我們稱之為并行處理。另外，在系統軟件設計中，多采用單任務順序機制。程序由一個主循環控制，通過判斷不同的標志輪循調用各功能函數，在主循環中調用的模塊按順序運行。

（論述嵌入式系統與一般系統的差別，優缺點）

本課題基于嵌入式系統的開發及應用，利用嵌入式系統的設計方法及測試技術，結合RTOS的選取原則，選用了源碼公開的嵌入式實時操作系統μC/OS-II，結合實際應用，設計了一個實現對多點溫度進行控制的嵌入式系統。

復雜的微機控制系統使用常規的順序程序設計方法加上中斷來實現功能是比較困難的，主要體現在以下幾個方面：

(1).實時性差：由于計算機在處理中斷時，一般不允許響應低級和同級中斷，為了提高實時性，要求中斷處理程序盡量短。但是有許多實時操作的處理比較復雜，需要較長的CPU執行時間。如果用中斷來完成這些處理，則在處理時，無法響應低級或同級中斷。如果采用中斷置標志的方法，讓主程序來進行處理，則一方面會增加程序的復雜性，另一方面也難以做到實時處理，因為主程序不可能在執行其它程序時，隨時去檢查這些標志位而轉向不同的處理程序。

(2).難以實現并行操作的相互通信：在功能較強的實時系統中，除了主程序有時需要與中斷間進行信息交換外，各個并行操作之間有時也需相互通信。這些用常規方法是難以實現的。

(3).結構復雜、移植性差、維護困難：單片微機功能的復雜化，使軟件越來越復雜，特別是為了實現并行操作，需使用大量的中斷和標志，使程序結構十分混亂，難以設計和調試。同時由于程序采用線性結構，使得程序難于修改或者移植，因此缺乏靈活性、通用性和可維護性。

為了解決以上的問題，可以把應用軟件按所完成的功能分成一個個獨立的、但可以并行運行的任務，如串行口通信任務、數據采集任務、數據計算任務、定時打印任務等。這樣，整個應用軟件有各個任務所組成，設計、調試時可分別進行。修改時只可修改個別任務即可，從而提高了軟件的可移植性。為了提高系統的可靠性，并有效地實現任務間的相互通信，當應用程序處理的任務較多，尤其要求同時執行兩個以上的工作和任務時，在軟件設計中引入實時多任務操作系統(RealTimeOperatingSystem,RTOS)將非常必要。

提倡在嵌入式應用中使用RTOS的最主要原因是提高系統的可靠性。長期以來，在國內傳統的開發方式是：針對某一應用，畫程序流程圖、編制應用程序。通常是線性程序，此機制的優勢在于流程直觀。這種方法的缺點是：除中斷服務程序以外，各程序模塊沒有優先級的區別，被主循環簡單地輪轉調用，實時性差，響應時間無法預料；而且，當一個任務申請不到資源，或循環過程中由于某種原因無法跳出循環時，其他任務將得不到響應，當程序很小時，雖然可通過設置Watchdog，利用中斷等方法來解決上述矛盾。如果程序變得較大，將大大增加開發時間和調試難度，復雜度不堪想象。正是上述的缺點，在干擾嚴重的情況下，系統安全性差。另一重要原因是提高開發效率，縮短開發周期。

系統中引入RTOS之后，有RTOS完成任務管理、任務間通信、中斷管理等功能。嵌入式系統中的多任務操作系統在應用系統啟動后，首先運行的是背景程序，用戶的應用程序是運行于其上的各個具體任務，多任務操作系統允許靈活地分配系統資源（中央處理器、存儲器等等）給各個任務，各程序模塊（或者任務）就如同中斷程序一樣并行運行，這樣就可以簡化那些復雜而且時間要求嚴格的工程的軟件設計，同時也提高了可靠性。

目前較流行的嵌入式實時多任務操作系統國外主要有VxWorks、QNX、pSOS、WindowsCE等。另外，國內也有許多自主開發的實時操作系統，如科銀京成（CoreTek）公司的嵌入式軟件開發平臺DeltaSystem,中科院推出的Hopen嵌入式操作系統，浙江大學自主研制開發的全中文的嵌入式操作系統HBOS系統等。這些操作系統性能優越，易于移植，但均屬于商業操作系統，需支付昂貴的版稅。另外也有兩個優秀的自由軟件操作系統是μC/OS-II和嵌入式Linux，它們也具有相當好的性能，且源代碼開放，免費使用,以上這些操作系統大多都有完善的開發環境和工具。用戶在進行嵌入式系統的設計時，根據具體應用和實際情況，選擇適合自己的實時操作系統。

1.3課題的實現

（本課題基于嵌入式系統的開發及應用，利用嵌入式系統的設計方法及測試技術，結合RTOS的選取原則，選用了源碼公開的嵌入式實時操作系統μC/OS-II，結合實際應用，設計了一個實現對多點溫度進行控制的嵌入式系統。）

目前就成本而言，在較長的一段時間，很多測控應用領域，微處理器只需8位或16位單片機就可勝任,對于這樣低端的產品開發，要完成較復雜的任務，可采用微內核的多任務操作系統如μC/OS-II、RTX、CMX等來完成軟件設計。在應用中，已經能夠明顯減少系統的軟件設計工作量，并提高了系統的可靠性。

考慮到系統實際應用，在硬件設計方面，微控制器選用了臺灣Syncmos公司生產的8位微控制器SM5964,它是80C52微控制器家族的派生產品，其強大的片內資源，只需選用少量的外圍器件即可實現系統的要求。溫度測量利用Pt（100Ω）熱敏電阻，測量的模擬信號經模數轉換模塊轉換后送入微處理進行處理。模數轉換器選用凌特公司(LinearTechnology)推出的20位無延遲模數轉換器LTC2430，此模塊可直接對測量的毫伏級信號進行處理，并能夠達到精度要求。其它也選用了與通信和輸出控制相關的器件。

軟件的設計基于軟件開發平臺μC/OS-II，它是由Labrosse先生編寫的一個開放式內核，最主要的特點就是源碼公開，此RTOS的更多優點在第三章有詳細論述。一方面它是免費的，另一方面用戶可以根據自己的需要對它進行修改。由于它沒有功能強大的軟件包，基于具體應用需要自己編寫驅動程序，為使其能夠正常工作，要根據具體的硬件平臺完成相應的移植工作。μC/OS-II是一個占先式的內核，即已經準備就緒的高優先級任務可以剝奪正在運行的低優先級任務的CPU使用權。這個特點使得它的實時性比非占先式的內核要好。在設計中，給予不同任務不同的優先級，提高了系統的實時性。對溫度控制方面，采用了一種基于時間最優控制的PID算法實現對溫度控制。

除了實現對溫度的采集、處理、控制之外，本課題一方面利用SM5964的ISP功能，實現了PC機利用ISP技術進行對系統遠程加載和升級。另一方面，利用RS232串行通信技術，實現了PC機與系統的通信，并可對系統進行遠程控制。從而實現了微機控制系統中主從式控制系統結構。

1.4論文的章節安排

論文的結構及內容安排如下：

第一章概述

概述部分由嵌入式系統成為當今IT行業又一熱點開始，結合當前微機控制領域存在的問題，論述了在此領域引入嵌入式操作系統的必要性，引出課題的意義。最后給出課題的實現方案。

第二章嵌入式系統

本章首先對嵌入式系統的歷史進行論述，引出其當前的定義，并提出了RTOS所要解決的幾個問題。然后提出了嵌入式系統的兩大組成部分：嵌入式處理器和嵌入式實時操作系統，分析了當前嵌入式處理器的分類以及當前流行嵌入式操作系統的特點。最后論述了嵌入式系統的開發工具及應用狀況，并對嵌入式系統的未來發展趨勢加以展望。

第三章系統的開發環境及相關技術

本章根據第二章的論述，結合課題的需要，首先對系統選用的主控芯片SM5964的特性進行了介紹，并根據嵌入式操作系統的選取原則，對系統選用的RTOS---μC/OS-II的特點進行了論述。然后根據系統實際應用介紹了對實時內核進行的擴展。最后，闡述了系統設計中使用的嵌入式系統軟/硬件協同設計技術和測試技術。

第四章系統的設計與實現

本章中論述了本課題的核心，詳細論述了實現對多點溫度進行控制的嵌入式系統的設計。從對系統的硬件設計進行論述開始，然后完成根據具體的硬件平臺進行操作系統的移植工作。最后對系統的軟件設計進行了詳細的闡述，在軟件設計中，把系統的軟件分成人機交互、串行通信、溫度的測量及控制、遠程加載等四大模塊，并對每一?？斓木唧w實現進行了詳細論述。

第五章PC側程序的設計

本章中論述了對系統進行遠程監控和ISP功能主控側程序的實現，模擬實現了主從式微機控制系統主控方的程序設計。首先論述了VC++對多線程的支持以及多線程編程中的關鍵問題，然后詳細闡述了主機側通信功能和ISP功能的設計。

第六章系統的擴展及總結

本章簡要介紹了在系統中實現文件系統和網絡功能的方法，對整個課題給予總結。

第二章嵌入式系統

嵌入式系統的發展和應用是現代信息社會的一個重要特征，已經被用于各行各業，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的基本概念和原理，并對嵌入式系統的發展方向和趨勢作一定的論述，對于了解嵌入式系統及其開發和研究將起到一定的作用。

2.1嵌入式系統的基本概念

2.1.1嵌入式系統的歷史

雖然嵌入式系統是近幾年才風靡起來的，但從20世紀70年代單片機的出現到今天各式各樣的嵌入式微處理器、微控制器的大規模應用，嵌入式系統已經有近30年的發展歷史。作為一個系統，往往是在硬件和軟件雙螺旋式交替發展的支撐下逐漸趨于穩定和成熟，嵌入式系統也不例外。

嵌入式系統最初的應用是基于單片機的。20世紀70年代單片機的出現，使得汽車、家電、工業機器、通信裝置以及成千上萬種產品可以通過內嵌電子裝置來獲得更佳的使用性能，更容易使用，更快、更便宜。這些裝置已經初步具備嵌入式的應用特點，但是這時的應用只是使用8位的芯片，執行一些單線程的程序，還談不上"系統"的概念。

從80年代早期開始，嵌入式系統的程序員開始用商業級的"操作系統"編寫嵌入式應用軟件，這使得開發人員可以進一步縮短開發周期，降低開發成本并提高開發效率。1981年，ReadySystem開發出世界上第一個商業嵌入式實時內核（VTRX32）。這個實時內核包含了許多傳統操作系統的特征，包括任務管理、任務間通信、同步與相互排斥、中斷支持、內存管理、時鐘管理等功能。如IntegratedSystemIncorporation(ISI)(現已被風河公司收購)的pSOS和WindRiver(風河)的VxWorks、QNX公司的QNX等。這些嵌入式操作系統都具有嵌入式的典型特點：系統內核很小，具有可裁減性、可擴充性和可移植性，可以移植到各種處理器上；較強的實時性和可靠性，適合嵌入式應用。這些嵌入式實時多任務操作系統的出現，使得應用開發人員從小范圍的開發中解放出來，同時也促使嵌入式有了更為廣闊的應用空間。