嵌入式系统在窑炉多点温度控制中的研究与应用

嵌入式系统在窑炉多点温度控制中的研究与应用
作者：吴荣光陈正军
来源：《科学与财富》2011年第05期
[摘要] 本文基于嵌入式系统的开发及应用，利用嵌入式系统的设计方法及测试技术，结合RTOS的选取原则，选用了源码公开的嵌入式实时操作系统μC/OS-II，结合实际应用，设计了一个实现对窑炉多点温度进行控制的嵌入式系统。

[关键词] 窑炉温度RTOS μC/OS-II 多点采集
0、前言
今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1万亿美元，1997年来自美国嵌入式系统大会(Embedded System Conference)的报告指出，未来5年仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个每年1500亿美元的新市场。

美国汽车大王福特公司的高级经理也曾宣称，“福特出售的‘计算能力’已超过了IBM”，由此可以想见嵌入式计算机工业的规模和广度。

1998年11月在美国加州举行的嵌入式系统大会上，基于RTOS的Embedded Internet成为一个技术新热点。

在国内，“维纳斯计划”和“女锅计划”一度闹得沸沸扬扬，机顶盒、信息加电这两年更成了IT热点，而实际上这些都是嵌入式系统在特定环境下的一个特定应用。

据调查，目前国际上已有两百多种嵌入式操作系统，而各种各样的开发工具、应用于嵌入式开发的仪器设备更是不可胜数。

在国内，虽然嵌入式应用、开发很广，但该领域却几乎还是空白，只有少数几家公司和极少数人员在从事这方面工作。

由此可见，嵌入式系统技术发展的空间真是无比广大。

1、系统总体设计
除了实现对窑炉温度的采集、处理、控制之外，本课题一方面利用SM5964的ISP功能，实现了PC机利用ISP技术进行对系统远程加载和升级。

另一方面，利用RS232串行通信技术，实现了PC机与系统的通信，并可对系统进行远程控制。

从而实现了微机控制系统中主从式控制系统结构。

1)硬件结构
系统的原理图如图1所示。

主要有键盘输入、数据采集、输出控制、LCD显示、通信及电源模块等组成。

图1 系统原理框图
2)软件结构
系统软件是以RTOS为平台的，RTOS作为一种专门为嵌入式微处理器设计的模块化、高性能的实时操作系统，提供了一种基于开放系统标准的完善的多任务环境。

它作为嵌入式应用软件的基础和开发平台，是一段嵌入在目标代码中的软件，在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序，用户的应用程序是运行于其上的各个任务，RTOS根据各个任务的要求进行资源管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作。

硬件抽象层（HAL）把实时内核与硬件隔离开，实现了操作系统内核与设备无关，提高了应用系统的可靠性。

内核层是一个是实时多任务操作系统（RTOS）内核。

内核层上面是高层驱动和库函数，提供通用的API、I/O管理器。

应用程序层是用户的不同的任务。

2、系统的移植
移植是指使一个实时操作系统能够在某个微处理器平台上运行。

每个实时嵌入式操作系统都支持很多种处理器，为了使其在具体的硬件平台上工作，必须根据具体的硬件平台完成移植工作。

为了便于用户的使用，嵌入式操作系统生产商一般提供一些通用的板级支持包(Board Support Package，BSP)（有的称为硬件抽象层（Hardware Abstract Layer, HAL））,用户只需选择与自己相近的BSP进行修改，可以很容易完成移植工作。

μC/OS-II没有提供BSP,需要用户独立完成此工作。

由于在设计时已经充分考虑了可移植性，移植工作并不太复杂，要根据具体硬件平台，对文件OS_CPU.H、OS_CPU_C.C和
OS_CPU_A.ASM进行合理的修改。

要使其正常运行，处理器首先需满足以下要求：
◇处理器的C编译器能产生可重入代码；
◇用C语言就可以打开和关闭中断；
◇处理器支持中断，并且能够产生定时中断（通常在10Hz至100Hz之间）；
◇处理器支持能够容纳一定数量数据（可能是几千字节）的硬件堆栈；
◇处理器有将堆栈指针和其他CPU寄存器读出和存储到堆栈或内存中的指令。

针对本论文论文中选用的SM5964微处理器和开发工具Keil C51，进行移植时，重点考虑函数的重入和任务栈的结构及大小的确定。

对三个文件进行的修改如下。

1)设置OS_CPU.H 中与处理器和编译器相关的代码
/*与编译器相关数据类型*/
typedef unsigned charBOOLEAN；
typedef unsigned charINT8U；
typedef signed char INT8S；
typedef unsigned intINT16U；
typedef signed int INT16S；
typedef unsigned longINT32U；
typedef signed long INT32S；
typedef float FP32；
typedef doubleFP64；
typedef unsigned charOS_STK；
#define OS_ENTER_CRITICAL() EA=0 //关中断
#define OS_EXIT_CRITICAL() EA=1 //开中断
#define OS_STK_GROWTH 0 //堆栈从下往上增长1=向下，#define OS_TASK_SW() OSCtxSw()/*因为微处理器没有软中断指令，所以用程序调用代替*/
2)在OS_CPU_C.C中用C语言编写6个与操作系统相关的函数
在此文件中主要是完成任务初始化函数OSTaskStkInit()的编写，每个任务在创建时，要初始化自己的任务堆栈，任务堆栈的结构类似系统发生一次中断后的堆栈结构，在进行任务切换时，它要用来存储与本任务相关的所有信息。

其它5个函数需要声明，因在此用不到，没有实际内容。

如果需要使用可以进行编程。

void *OSTaskStkInit(void(*task)(void *pd),void *ppdata,
void *ptos,INT16U opt)reentrant
{
OS_STK *stk；
ppdata=ppdata；
opt=opt;
stk=(OS_STK *)ptos；//用户堆栈最低有效地址
*stk++=15;//用户堆栈长度
*stk++=(INT16U)task & 0Xff；//任务地址低8位
*stk++=(INT16U)task>>8；//任务地址高8位
*stk++=(INT16U)(ptos+MaxStkSize)>> 8；
*stk++=(INT16U) (ptos+MaxStkSize)& 0xFF；
return((void *)ptos);
}
3)用汇编语言编写OS_CPU_A.ASM中4个与处理器相关的函数
◇ OSStartHighRdy ( )：运行优先级最高的就绪任务
◇ OSCtxSw ( ) ：任务级的任务切换函数
◇ OSIntCtxSw ( )：中断级的任务切换函数
◇ OSTickISR ( )：中断服务函数
以上四个函数的具体内容见附录。

完成上述3个文件的编写之后，μC/OS-II就可以在系统的硬件平台上正常运行了。

3、结论
本文中论述了嵌入式系统方面的广泛知识，结合嵌入式系统的设计，将嵌入式实时操作系统引入微机控制系统，并最终设计了一个实现窑炉多点温度测量和控制的嵌入式系统。

该系统
是在8位嵌入式微处理器和实时多任务操作系统的基础上设计实现的，在研究中取得了满意的效果。

参考文献
[1]阮忠,邹琦.萍嵌入式无线温度采集系统的设计[J],农业网络信息,2010(10).
[2]丰海.嵌入式远程温度采集与报表曲线的生成[J],电脑知识与技术,2010(12).
[3]胡成,杨林楠,郜鲁涛.基于TE2440-Ⅱ的嵌入式温度采集驱动实现[J],计算机应
用,2010(12)■
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。