基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的智能儀表軟件設(shè)計(jì)

黃思遙

摘 要 對于過程自動(dòng)化和工廠自動(dòng)化的系統(tǒng)應(yīng)用的整個(gè)過程，有著大量的現(xiàn)場信號需要進(jìn)行檢測和控制，而這些信號都必須嚴(yán)格的符合安全規(guī)范的要求，例如必須嚴(yán)格的符合著防爆的安全要求，以及ISO機(jī)械安全要求等。目前來看，比較主流應(yīng)用的一些工業(yè)儀表之間并沒有存在真正的安全信號的數(shù)字化的傳輸。隨著科技的發(fā)展、智能化工業(yè)的進(jìn)一步普及，工業(yè)儀表的數(shù)字化、智能化逐漸的成為了一種大的趨勢。本文主要對基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的智能儀表的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

關(guān)鍵詞 實(shí)時(shí) 操作系統(tǒng) 智能儀表 軟件設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP332 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1智能儀表優(yōu)勢

智能儀表和那些傳統(tǒng)的機(jī)械式、電磁式儀表存在著很大的差異，它主要是使用微處理器通過實(shí)時(shí)的對軟件進(jìn)行控制來控制儀表的運(yùn)行的，這使得系統(tǒng)能夠更加的安全、可靠。傳統(tǒng)的儀表在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，如果受到了外界的因素的干擾或者自身產(chǎn)生了一些能夠糾正的故障以后，很有可能導(dǎo)致自身的故障，進(jìn)一步使得整個(gè)系統(tǒng)造成癱瘓。而智能儀表則能夠很好地解決這些問題，其自身的微處理器能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行自主的干預(yù)，實(shí)時(shí)的減弱外界因素的影響并且糾正自身存在的故障，使得系統(tǒng)的狀態(tài)回到穩(wěn)態(tài)。在對儀表進(jìn)行維修的時(shí)候，傳統(tǒng)的一起不能夠自動(dòng)的指示故障的所在，而智能的儀表能夠?qū)收线M(jìn)行自動(dòng)的指示并且反映出可能存在的故障原因，這能夠很好地提高維修的效率。傳統(tǒng)的儀表往往對于測量值都是直接的顯示的，當(dāng)測量的對象發(fā)生了頻繁并且微小的變化的時(shí)候，儀表的指示值會(huì)發(fā)生劇烈的抖動(dòng)，這很容易導(dǎo)致儀表的不可用或者顯示的不準(zhǔn)確，而智能儀表很好地解決了這個(gè)問題，它能夠通過平滑的算法很好地消除這些指示值存在的頻繁的、微笑的抖動(dòng)，從而使得指示值能夠相對來說比較穩(wěn)定、可靠。因此，對智能儀表進(jìn)行研究有著很大的必要性。

2硬件系統(tǒng)

目前來看，ARM CortexM3/M4處理器在工業(yè)安全上應(yīng)用有著很多技術(shù)性的優(yōu)勢，例如哈佛總線架構(gòu)是32位尋址、低功耗、高性能，而且還具有OS支持、軟件的可移植性等優(yōu)勢。

ARM CortexM3/M4 處理器在設(shè)計(jì)的最初就考慮到了OS應(yīng)用的問題，因此它設(shè)計(jì)所具有的多個(gè)特性能夠保證OS的實(shí)現(xiàn)和OS的高效運(yùn)行。

ARM CortexM3/M4 處理器中存儲著主堆棧指針MSP以及進(jìn)程堆棧指針PSP。對于這種設(shè)計(jì)而言，所具有的有點(diǎn)就是如果應(yīng)用遇到了一些問題有可能導(dǎo)致棧的破壞，OS內(nèi)核中使用的棧以及正在進(jìn)行其他的任務(wù)的棧不會(huì)受到影響，這樣能夠保證系統(tǒng)的可靠性得到了進(jìn)一步的提高。

基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的智能儀表軟件的硬件系統(tǒng)是使用ARM CortexM3/M4 處理器作為核心的，并且使用并行的數(shù)據(jù)總線、外擴(kuò)的SRAM、NAND FLASH來進(jìn)行對存儲器資源的進(jìn)一步的擴(kuò)充的。外設(shè)的硬件接口中目前涵蓋了工業(yè)上的主流的接口配置。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，德國工業(yè)4.0的提出，工業(yè)以太網(wǎng)逐漸的興起，網(wǎng)絡(luò)通信接口已經(jīng)逐漸的成為了智能儀表和設(shè)備互聯(lián)互通的比較簡單方便的一種接口標(biāo)準(zhǔn)。ST公司的幾款M3/M4處理器都繼承了以太網(wǎng) MAC IEEE 1588，硬件上能夠再通過RMII/MII接口連接一塊物理芯片就能夠?qū)崿F(xiàn)了。使用的通信協(xié)議是使用的比較廣的TCP/IP協(xié)議。通過將相應(yīng)的軟件協(xié)議棧進(jìn)行移植，能夠?qū)崿F(xiàn)各種主流的現(xiàn)場總線。同時(shí)，硬件中還會(huì)使用一些包括工業(yè)SD卡，RTC時(shí)鐘等豐富的設(shè)備作為硬件資源，這樣使其能夠更好地滿足工業(yè)檢測以及更好的控制對應(yīng)用場合的需求。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1輪詢模式

對于簡單的系統(tǒng)來說，CPU可以一直處于等待的狀態(tài)中，一直到有時(shí)間突然的發(fā)生的時(shí)候，再進(jìn)行事件的分析和處理，在處理了以后cpu會(huì)繼續(xù)的等待。而輪詢模式則能夠滿足一些簡單的應(yīng)用需求。但是，當(dāng)應(yīng)用程序變得更加的復(fù)雜的時(shí)候，也會(huì)出現(xiàn)一些其他的問題，如輪詢模式的程序設(shè)計(jì)和維護(hù)會(huì)變得更加的困難。除此之外，輪詢模式很難對事件的優(yōu)先級進(jìn)行重新的定義，這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的反應(yīng)相對來說比較遲鈍。當(dāng)有進(jìn)擊的事件發(fā)生的時(shí)候，cpu如果還在處理那些并不是很重要的事情，直到處理完畢以后才能夠?qū)ζ溥M(jìn)行響應(yīng)，這樣就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能非常差。

3.2中斷驅(qū)動(dòng)模式

對于那些對于功耗有一定的要求的系統(tǒng)來說，只能選擇這種驅(qū)動(dòng)模式。當(dāng)cpu在等待某個(gè)事件的時(shí)候，能夠進(jìn)入到低功耗的模式中，進(jìn)而降低cpu的工作能耗。在中斷驅(qū)動(dòng)的模式中，不同的外設(shè)能夠被設(shè)置成不同的中斷優(yōu)先級，這些優(yōu)先級的分類是根據(jù)系統(tǒng)中的重要等級進(jìn)行設(shè)計(jì)分配的，那些優(yōu)先級比較高的中斷可以打斷那些優(yōu)先級比較低的中斷程序，這些軟件流程機(jī)制的響應(yīng)是非常的迅速的。在大多數(shù)的情況下，軟件的設(shè)計(jì)會(huì)將輪詢模式和中斷驅(qū)動(dòng)模式很好地結(jié)合起來，使其能夠更好地滿足實(shí)際的需求。在有了某個(gè)緊急的時(shí)間需要服務(wù)的時(shí)候，會(huì)使用中斷驅(qū)動(dòng)程序剪一個(gè)中斷請求出發(fā)。當(dāng)中斷服務(wù)子程序處理完畢以后，它就會(huì)回到主程序中去，使用輪詢的方式進(jìn)行應(yīng)用程序的處理。

3.3時(shí)間片輪轉(zhuǎn)模式

當(dāng)應(yīng)用程序復(fù)雜到了一定的程度的時(shí)候，輪詢模式還有中斷的驅(qū)動(dòng)程序都不能給滿足實(shí)際的應(yīng)用需求，因此需要采用基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的多任務(wù)系統(tǒng)來進(jìn)行操作。當(dāng)系統(tǒng)中的任務(wù)有的執(zhí)行時(shí)間過長的時(shí)候，也需要滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性的相應(yīng)需求，因此為了滿足這種需求需要將處理器的時(shí)間劃分為多個(gè)時(shí)間片，并且可以將這些時(shí)間片分給這些任務(wù)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS的內(nèi)核可以處理多任務(wù)的調(diào)度。目前來看，能夠用于Cortex-M處理器的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能夠達(dá)到30多種。多任務(wù)的系統(tǒng)能夠通過高效的后臺調(diào)度以及時(shí)間管理等，使得程序的結(jié)構(gòu)變得更加的標(biāo)準(zhǔn)和健壯，這樣能夠保證應(yīng)用程序的開發(fā)過程變得更加的高效。

3.4搶占式調(diào)度模型

基于時(shí)間的觸發(fā)方式在嵌入式的軟件領(lǐng)域有著十分重要的應(yīng)用，這種方式更加的簡單可靠，并且其預(yù)測性也會(huì)更好一些，在一些安全的關(guān)鍵領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。基于這種機(jī)制設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，是一個(gè)可剝奪的多任務(wù)系統(tǒng)，并且其中沒有任務(wù)的數(shù)量的限制，因此是 C/OS的第三代的內(nèi)核。系統(tǒng)中支持先進(jìn)的搶占式的調(diào)度方式，這種調(diào)度方式能夠保證當(dāng)最高優(yōu)先級的任務(wù)一旦就緒，就總是能夠得到CPU的控制權(quán)，也就是說優(yōu)先級高的進(jìn)程能夠搶占式的調(diào)度內(nèi)核使得優(yōu)先級低的進(jìn)程暫時(shí)停止任務(wù)。也就是說在實(shí)際的工作過程中，如果中斷服務(wù)子程序使一個(gè)優(yōu)先級比較高的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，在中斷完成以后，優(yōu)先級高的那個(gè)任務(wù)開始運(yùn)行，這種調(diào)度機(jī)制能夠保證任務(wù)的調(diào)度得到快速的響應(yīng)。

4關(guān)鍵技術(shù)

4.1中斷和實(shí)時(shí)措施

響應(yīng)中斷是十分關(guān)鍵的一個(gè)技術(shù)，就是要調(diào)用5個(gè)模塊中的某一個(gè)運(yùn)行，如果響應(yīng)中斷的時(shí)候把整個(gè)模塊都運(yùn)行完畢之后在進(jìn)行中斷返回，由于在這個(gè)過程中微處理器的中斷應(yīng)該進(jìn)行屏蔽，而計(jì)數(shù)器的中斷如果很頻繁的話就會(huì)導(dǎo)致很多次的計(jì)數(shù)器的中斷難以得到響應(yīng)，這樣就使得系統(tǒng)的可靠性大大的降低了。因此可以將中斷響應(yīng)分為中斷處理和中斷服務(wù)這兩個(gè)部分，響應(yīng)中斷的時(shí)候只作中斷處理，就是說根據(jù)中斷源、系統(tǒng)的狀態(tài)以及計(jì)數(shù)值的情況通知系統(tǒng)需要調(diào)用5個(gè)模塊中的某一個(gè)作為中斷服務(wù)的程序，并且對參數(shù)進(jìn)行調(diào)用，這個(gè)請求被保存到一個(gè)等候的服務(wù)隊(duì)列中，然后將中斷返回，返回的出口就是這個(gè)等候服務(wù)隊(duì)列中優(yōu)先級最高的請求的服務(wù)程序，這樣能夠保證中斷可以及時(shí)的得到響應(yīng)，同時(shí)還不會(huì)將調(diào)用的中斷服務(wù)程序中的信息丟失。

而5個(gè)模塊的調(diào)用級別是不同的，往往根據(jù)重要性進(jìn)行排序。對于同一級別的不同調(diào)用參數(shù)的調(diào)用請求，就會(huì)按照時(shí)間的順序?qū)ζ溥M(jìn)行調(diào)用，也就是按照先來先服務(wù)的原則將先進(jìn)入隊(duì)列的請求進(jìn)行優(yōu)先的響應(yīng)。這樣，能夠保證等候調(diào)用的隊(duì)列可以形成一個(gè)優(yōu)先級維和時(shí)間維的二維隊(duì)列。也就是說，模塊維內(nèi)的按照優(yōu)先級進(jìn)行響應(yīng)，時(shí)間維內(nèi)的按照先進(jìn)先出的原則進(jìn)行響應(yīng)。

4.2可靠性措施

可靠性對于一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)來說是十分重要的一個(gè)指標(biāo)，這個(gè)系統(tǒng)主要采用這樣的方式來進(jìn)行可靠性的控制：

第一，設(shè)置一個(gè)看門狗電壓。這個(gè)電壓和微處理器的復(fù)位端相互連接，在系統(tǒng)工作比較正常的時(shí)候，會(huì)定期的進(jìn)行“喂狗”。

第二，設(shè)置一個(gè)故障的顯示燈，在系統(tǒng)產(chǎn)生了故障而自己又不能夠修復(fù)的時(shí)候，可以對軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制，使用一組發(fā)光的二極管將錯(cuò)誤的代碼顯示出來，這樣維修的人員就能夠知道故障的類型，使得系統(tǒng)維護(hù)的可靠性和維修的效率都會(huì)大大的提升。

第三，設(shè)置大量的冗余代碼。在系統(tǒng)運(yùn)行的期間，由于一些偶然性的因素很有可能導(dǎo)致程序造成異常的跳轉(zhuǎn)使得系統(tǒng)死機(jī)，因此可以設(shè)置大量的冗余代碼，將每個(gè)代碼段的出口都跳轉(zhuǎn)到正確的位置上去，這樣就能夠使得不正常的現(xiàn)象大大的減少。

第四，對指示值進(jìn)行平滑?？梢园褱y量值進(jìn)行平滑以后再將其作為指示值，這樣做能夠很好地避免由于地形發(fā)生微小的頻繁起伏等原因造成的指示值劇烈抖動(dòng)等問題。

4.3數(shù)字模擬顯示

通常來說，儀表往往只帶模擬的顯示，從而存在直觀性較差的問題，并且當(dāng)儀表的指針出現(xiàn)機(jī)械誤差的時(shí)候很有可能造成指示值不準(zhǔn)確的問題。因此，在智能的儀表上，在模擬顯示的基礎(chǔ)上增加了使用數(shù)碼管進(jìn)行數(shù)字顯示。對于主機(jī)和數(shù)字顯示的部分之間使用串行通信的方式進(jìn)行通信。實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示的關(guān)鍵性內(nèi)容在于：

第一，數(shù)據(jù)格式。為了能夠使得接收方的負(fù)擔(dān)大大的降低，發(fā)送方應(yīng)該將高度數(shù)據(jù)處理成合適的合適，使得接收方能夠使用這樣的格式進(jìn)行顯示，而數(shù)據(jù)又不需要被拆開。

第二，數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。發(fā)送方會(huì)定時(shí)的發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣做能夠很好地保證數(shù)據(jù)的刷新頻率，而接收的一方在接到數(shù)據(jù)以后會(huì)給發(fā)送方發(fā)送應(yīng)答的信號ACK，如果接收方?jīng)]有收到數(shù)據(jù)，或者收到的數(shù)據(jù)不正確的時(shí)候，數(shù)碼管就會(huì)顯示錯(cuò)誤的標(biāo)志并且對接受黨的串行通信部件進(jìn)行重新的初始化。而發(fā)送方如果長時(shí)間的沒有收到應(yīng)答的信號，就會(huì)重新的對發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，對于串行的通信部件進(jìn)行重新的初始化。

5結(jié)論

隨著科技的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步，智能化的儀表逐漸的有著越來越廣泛的應(yīng)用，它有著很多傳統(tǒng)的儀表沒有的優(yōu)勢。在這樣的背景下，本文主要對于基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的智能儀表的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的分析，首先分析了智能儀表具有的優(yōu)勢，然后簡單的介紹了其具有的硬件，最后對于軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。軟件是智能儀表的魂所在嗎，也是設(shè)計(jì)的核心基礎(chǔ)技術(shù)，希望本文能夠起到一定的參考價(jià)值，從而給相關(guān)的技術(shù)人員提供一瀉嵌入式智能儀表開發(fā)的思路。

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