基于实时嵌入式操作系统的软测量软件包

niversity of Virginia,2001 收稿日期:2001-12-01。

第一作者魏立峰,男,1962年生,1984年毕业于浙江大学,1987年于东北大学获硕士学位,现为中国科学院沈阳自动化所在读博士研究生,副教授;主要从事智能测控技术、实时系统的研究与应用。

基于实时嵌入式操作系统的软测量软件包The Soft Measure ment Software Package Based onReal T ime Embedded Operating Syste m冯　瑞　黎达宇　邵惠鹤(上海交通大学自动化研究所,上海　200030)摘　要　介绍了基于实时嵌入式操作系统的软测量软件包的设计原理、系统框架、关键技术及核心算法。

利用面向对象技术、多线程技术、动态链接技术在嵌入式操作系统W indows CE上开发了软测量软件包。

该软件包具有开放性、实时性和通用性。

关键词　软件包　软测量　嵌入式操作系统　过程控制Abstract　The design principle,system frame,critical technologies and kernel alg orithm of the s oftware package of s oft measurement based on real time embedded operating system are introduced.By using object-oriented technology,multiple thread technology,and dynam ic linkage technology,a s oftware package of s oft measurement is developed on embedded operating system W indows CE.The s oftware package features open,real time and comm on-use. K ey　w ords　S oftware package　S oft measurement　Embedded operating system　Process control0　引言在实际控制系统中,由于工艺和技术的限制,许多过程中重要的过程变量难以实时在线检测。

为了解决这个问题,出现了各种在线分析仪表,并用硬件予以实现。

但是由于开发费用高,硬件投资大,原理复杂等原因,除了在少数特殊情况以外,并没有被工业控制界广泛接受和采纳。

高级过程控制的出现和普及,直接促成了软测量技术的形成和发展。

软测量技术主要解决工业过程控制中过程变量的检测问题。

软测量方法就是先建立待测变量与其它一些可测或易测的过程变量之间的关系,通过对可测变量的检测、变换和计算,间接得到待测变量的估计值[1,2]。

软测量系统功能、实现方法的相似性使开发通用软测量软件包成为可能。

目前软测量技术的实现基本上是基于普通PC和工业计算机,但由于普通的PC因种种原因不适应恶劣的工业过程环境,而工业计算机虽然在适应恶劣环境方面比普通PC要强许多,但这种标准结构的工业PC 存在体积和功耗太大等局限性,因此在许多嵌入式应用场合,如航天产品、智能仪器仪表、医疗设备、通信设备、机电一体化产品等并不适用[3]。

另外,标准工业PC造价太高也限制了它在一些成本低下的工业中的应用。

基于模块化设计方法的嵌入式工业PC及相应的嵌入式系统具有集成度高,体积小,反应速度快,智能化高,稳定性好以及可靠性强等特点,已经被广泛应用于通信、智能设备、机器人、工业和军事等领域[4]。

在嵌入式工业PC上实现软测量技术,既可以实现在线分析仪表的功能,又可以使开发费用和硬件投资大大减小,已经成为实现软测量技术势在必行的方向。

1　软测量系统软件及硬件环境1.1　软测量系统软件框架基于嵌入式系统实现的软测量软件包总体框架如图1所示,测量装置在工业现场采集的数据送到软测量软件包中进行最优估计;控制装置根据软测量软件包估计出的变量值对工业过程进行控制。

系统实现以下功能:从测量装置得到用于估计主变量的辅助变量;对辅助变量进行数据处理;通过核心算法得到待估计变量的最优估计值;以各种图形化的形式显示辅助变量和估计变量的信息,使操作者直观方便的对系统进行监控;主变量最优估计值送至控制装置作为控制变量;对软测量系统进行在线组态,实现系统与具体生产过程的完美结合。

整个软件包的核心部分是系统调度模块,主要有两部分功能:①实现以上各模块实时调度;②利用多线程技术实现对多个软测量模块的待估计变量的并行实时最优估计。

图1　软测量系统框架结构1.2　系统模块功能1.2.1　人机界面人机界面模块吸取了目前多种工业监控软件界面的优点,结合手持PC 只有触摸屏输入的独特特点,可以通过多种图形界面显示辅助变量和估计变量等信息,使操作者可以直观方便地对系统进行监控操作。

此模块实现实时/历史曲线监控、棒图实时数据监控和告警处理等功能。

实时/历史曲线监控实现测量变量和估计变量数据曲线的放大、缩小、前进、后退等图形操作功能,方便操作者进行数据分析和过程趋势预测。

通过系统组态模块,用户可以设定软测量模块数等系统参数。

棒图模式可以在一个窗口中显示所有用户选定的软测量模块测量数据和估计数据的棒图,实现对整个软测量系统的实时监控。

当估计值和分析值之间的差值超限时,告警处理可以根据差值绝对值的大小给出不同级别的告警信息,并能对之进行确认或清除等操作。

1.2.2　数据处理模块此模块完成输入数据的二次变量的选择,将存在显著误差的数据剔除,进行随机误差的过滤,消除冗余数据,并实现数据的归一化处理。

1.2.3　系统组态模块为适应不同生产过程的需要,系统提供了组态功能。

操作者可以通过此模块设定软测量系统的参数,包括模块数目、各个模块的名称、输入输出数、采用算法、采样周期等等,从而体现了软件包的通用性和方便性。

1.2.4　核心算法模块此模块包括两部分:矩阵计算和最优估计算法,分别以动态链接库的形式存在,可以方便地进行扩展。

其中,矩阵计算提供了估计算法中可能用到的基本矩阵计算函数。

最优估计算法是对待估计变量进行最优估计的核心算法,可以随时进行扩充,具有很好的开放性。

操作者可以通过系统组态选择相应的估计算法。

本系统采用RBF 神经网络对待估计变量进行最优估计。

1.2.5　系统调度模块此模块应用多线程技术实现各个模块的实时调度,根据组态后的系统参数为每个软测量模块创建一个子线程,从而实现软测量系统的多任务实时运行。

1.2.6　通信模块此模块是软件包与测量装置和控制装置的输入输出接口。

可以通过以太网和串行通信口(RS -232,RS -485)与其它装置进行通信。

1.3　系统硬件本系统的硬件设备采用研华公司的TCP642触控式人机界面,该设备的显示屏幕为5.7英寸,厚40cm ,重0.8kg ,低功耗的中央处理器,避免了使用散热风扇的不可靠性,电源使用24V 直流电压,最大消耗电流为0.5A ,额定功耗15W 。

其CPU 为Intel S trongARM 1110RISC 处理器,存储器为内建32M Flash 存储器。

其中整合了W indows CE3.0嵌入式操作系统。

2　关键技术及实现软测量软件包的开发基于Embeded VC3.0开发环境。

其实现的关键技术为W indows CE 软件开发和软测量技术实现。

2.1　Window s CE 软件开发W indows CE 是微软公司专门为各种移动和便携电子设备,个人信息产品,消费类电子产品,嵌入式应用系统等非台式或笔记本电脑领域设计的一种32位高性能操作系统。

其最小配置只有200k R om ,可以更为合理地配置内核、文件系统和通信用堆栈。

它具有简洁高效的完全抢先式多任务操作核心,支持强大的通信和图形显示功能,能够适应广泛的系统需求。

开发W indows CE 应用程序和开发W indows 9x 和W indows NT/2000应用程序存在较大不同。

由于W in 2dows CE 比W indows 9x 和W indows NT/2000要小得多,因此只能支持后者的部分函数调用;W indows CE 还包括许多为特定环境设计的新的W indows 控件等等。

本文仅就字符串操作实现和通信模块实现两个问题加以说明。

软件包中使用了大量的字符串操作,诸如字符与数值间相互转换、字符串拷贝等操作。

由于W indows CE仅支持符合Unicode标准的字符(用16位数值来表示一个字符),而W indows9x和W indows NT/2000则支持符合Unicode和ASCⅡ码标准的字符,因此,在W in2 dows下可以正常运行的符合ASCⅡ标准的字符串操作函数,在W indows CE环境下不能运行,必须要调用符合Unicode标准的字符串操作函数。

程序调用符合U2 nicode标准的函数,运行结果中每个字符占用2个字节而不是1个字节,字符串长度将是符合ASCⅡ标准的字符串的2倍,因此在定义字符串长度和缓冲区大小时必须非常小心。

另外,在W indows CE环境下,不能假定以\0结束的260字节的缓冲区能容纳259个字符。

也不能使用标准的char数据类型,而是用相应的TCH AR数据类型代替。

通信编程在本软件包中同样是非常重要的,它是联系软件包与外界环境的桥梁。

在W indows9x和W in2 dows NT/2000环境下进行通信编程时,可以方便地调用W inS ock中的WS AAsyncSelect函数,当W inS ock事件发生时,该函数会通知相应的应用程序。

但是,由于W indows CE操作系统本身是多线程的,同时为了减少W inS ock实现的大小,大部分提供异步操作的WS A333函数调用在W indows CE系统中已经取消。

W indows CE中实现的只是W inS ock1.1的一个子集。

实际上,它的实现更类似于原始的“Berkeley”套接字API。

然而,缺少异步函数并不意味着要调用阻塞每个调用的套接字函数。

进行本软件包通信编程时,将套接字设置为非阻塞模式。

不管调用阻塞的函数是否完成任务,都将产生一个返回代码,该代码表明任务当前状态。

同样,W indows CE下对串行端口(RS-232/RS-485)进行编程和在MS-D os下的编程存在较大不同。

在W indows CE下不能简单地查找串行端口的基地址,也不能直接对寄存器进行操作。

虽然程序可以访问物理内存空间,但是每个W indows CE设备都有一个不同的物理内存映射表。

即使知道串行硬件驻留在内存映射表中的精确位置,解决内存地址访问问题,也不能保证串行硬件会与8250或16550串行接口兼容。