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基於μC／OS－III的JKM-LDE電磁流量（liàng）計人機界麵設計
點（diǎn）擊次數：2165 發布時間：2021-01-01 13:31:53
摘要：*先著（zhe）手於智能流量儀表的發展，介紹其發展的特點，隨著智能流量儀表功能的多樣化，單純的前、後台（tái）程序開發機製已經不（bú）能滿足（zú）越來越複雜化（huà）、多（duō）樣化的嵌（qiàn）入式應用需求，傳統（tǒng）的人機界麵也已不（bú）適宜用戶更加方（fāng）便快捷的使用，因（yīn）此應該選擇合適的實時操（cāo）作（zuò）係統， 針對不同操作係統的（de）特性*後提出了基於 μC／OS－III 的智能流量儀表的（de）人機界麵設（shè）計（jì）的方法，並且（qiě）就 μC／OS－III 在JKM-LDE電磁流量計人機界麵的（de）應（yīng）用（yòng）中進行舉例說明。
在工業生產（chǎn）中，經常需要（yào）對生產過程中各種（zhǒng）流動介質（zhì）（如液體、氣體和蒸汽、固體粉末）的流量進行檢測，以便有效地控製生（shēng）產過程和了解更多有關生產的參數。 隨著智能流（liú）量儀（yí）表的不斷普及， 不斷優化（huà）人機界麵（miàn）的設計也成為各個智能儀表生產廠家關（guān）注的發展方向。 為（wéi）了提高智能流量儀表測量、處理數據的實時性和人（rén）機交互的可靠性， 本文提出了基於實施嵌入式操作係統 μC／OS－III 的設計方法，優化了（le）人機界麵的交互。
1 智能流量儀表概述
JKM-LDE電磁流量計是一類新型的、 內部裝有微處理器或單片機（jī）的（de）微（wēi）機（jī）化電子儀器，它是由傳統的電子儀器發展而（ér）來的，但在結構和內涵上已經發生了（le）本質的變化。 回顧電子（zǐ）儀器的發展（zhǎn）曆程，從儀器（qì）的工作原理（lǐ）來看， 是從模擬式電（diàn）子儀器階段發展（zhǎn）到數字式電子儀器階段，再發展到智能（néng）型儀器階段。 智能流（liú）量儀表具有以下特點：
1 ）自動（dòng）化程度高（gāo）。 智（zhì）能流量（liàng）儀表采用了微控製器為控製核心，具備良好的可編程能力，可以輕鬆完成數據自動采集、過（guò）程自（zì）動控製、故障自動診斷、數據自動處理等功能。 這不僅提高了工作效率，節省了勞動力，而且使自動化程度得到（dào）了提高。
2 ）接口豐富。 JKM-LDE電磁流量計往往都具備強大的（de）係統功能接口，且接口種類多、數量多、功能強。 如模擬（nǐ）量輸入和輸出、開關量輸入和輸出、人機接口和通訊（xùn）接口等。
3 ）具備通訊能力。JKM-LDE電磁流（liú）量計幾乎都具備通訊接口，如 RS－232C 接口、 RS485 接口、 USB 接口和以太網接（jiē）口（kǒu）等（děng）， 使得（dé）儀表本身能（néng）與外界有良好的信息交互。
4 ）多（duō）功能化、小型化和高可靠性。隨著科技的飛（fēi）速發展使得微控製器芯片、外圍電（diàn）路芯片等器件集成（chéng）度逐漸提高。 芯片功能越來越強，少數的幾個芯片就可以實現強大的功能。
5 ）人機界麵信息的（de）交互更加實時，通過各種信息的反饋及時提醒（xǐng）用戶（hù）在測量過程中出（chū）現（xiàn）的異常情況（kuàng）以保（bǎo）證參（cān）量參數的可靠性。
2 基於 μC／OS－III 在人機界麵的應用
2．1 嵌入式實時操（cāo）作係統
嵌入式係統，就是為了實現特定的功能，將硬件和軟件連結起來的計算機係統。 然而，隨著科技（jì）的不斷發展，單純（chún）的前、後台程序開發機製已經不再能滿足越來越複雜化和多樣化的嵌入式應用需求，因而現在常常采用嵌入式實時操（cāo）作係統（ RTOS ， RealTime Operating System ）進行實時多任務程序的開發。 μC／OS－III 是基（jī）於 μC－OS 發展起來的， 它是美國嵌入式係統專家 Jean J Labrosse 用 C 語言編寫的一個（gè）搶占式的多任務實時內核，其*大的特點是結構小巧。 μC／OS－III 是一（yī）個可擴（kuò）展的，可固化的，搶占式的實時內（nèi）核，它管理的任務個數不受限製。 它（tā）是*三代內（nèi）核，提（tí）供了現代實時內核所期望的所有功能包括資源管理（lǐ）、同步（bù）、內部（bù）任務交（jiāo）流等。 μC／OS－III 也提供了很多特性是（shì）在其他實時內核中所（suǒ）沒有的。 比如能在運行時測量運行性能，直接得發送信號或消息給任務（wù），任務能同時等待多個信號量和消息隊列。 如圖 1 所示實時應用（yòng）程序的設計通常包含多個任務，每個任務都是整體應用的一部分，都被賦予了（le）一（yī）定的優先（xiān）級， 當讓也可（kě）以多個任務共一個優先級， 且有（yǒu）獨自的（de）一套CPU 寄存器和棧空間。
μC／OS－III 中的每一個任務都是無限循環的 。 每個任務會有五種狀態，並且處於五種狀（zhuàng）態（tài）之一。 這五種狀態分別是（shì）：睡眠態（tài）、就緒態、運行態、等待態以及中（zhōng）斷服務態。 睡眠態是指任務隻是以代碼的形式存在於（yú）程序空間， 並未（wèi）交給操作係統進行管理； 就緒態是指係統為任務配備了任務控製塊且（qiě）在任務就緒表（biǎo）中進行了（le）就緒登記，使任（rèn）務具備了運行的充（chōng）分條件；運行態是指處於就緒態的任務如果經（jīng）調度器判斷獲得了 CPU 的使用權時的狀態；等待態則是正在（zài）運行的任務，需要等待一段時間或需（xū）要等待一個事件發生再運行； 中斷服務狀態是指一個正在運行的任務一旦響應中（zhōng）斷申請就會中（zhōng）止運行而去執行中斷服務程序。這五種狀態在係統管理下的轉換關係由（yóu）圖 2 所示。
2．2 人機界麵應用實例
人機界麵（ Human Machine Interaction ，簡稱 HMI ），又稱用戶界麵或使用者界麵，是人與計算機（jī）之（zhī）間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，是計算機係統的重要組成部分。 在智（zhì）能流量儀表的應用中（zhōng），界麵不（bú）僅顯示（shì）測量的流量數據和各種報（bào）警信息（xī），還（hái）能通（tōng）過界（jiè）麵參數的設定改變（biàn）測量有關的參數。 它主要包括鍵盤和LCD 顯示。
下麵以電磁流量（liàng）計為例說明基於 μC／OS－III 的人機界麵設計。 先將 μC／OS－III 移（yí）植到（dào） Cortex－M3 處（chù）理器上，這裏選用的是 STM32F103VET6 。電磁流量計的應用程序若按照上節的任務（wù）種類劃分有： 數據采集任務、數據處理任務， 4～20mA輸出任務， Hart 通訊（xùn）任務以及用戶（hù）交互任務。 先對不同的任務進行優先級的劃分，如表 1 所示。
在（zài）多任務（wù）操作係統中（zhōng），任務之間常常需要通過（guò）傳遞一個數據的方（fāng）式來進行通訊（xùn）。 為了（le）適應不同數據的需要，可以在內存中創建一個存儲空間作為該數據的緩衝（chōng）區。如果把這個（gè）緩衝區叫（jiào）做消息緩衝區，那麽在任務間傳（chuán）遞數據的一個（gè）*簡單的方法就是傳遞消息緩衝（chōng）區的（de）指針。 因此，這種用來（lái）傳遞（dì）消息緩（huǎn）衝區指針的（de）數據結構就稱為消息郵箱。相對（duì）於 μC／OS－II ， μC／OS－III 有內在性能測試，它允許（xǔ）用戶測得係統的*長關中斷時間，也就是提供了一些工具（jù）可以測量每個任務關中斷的時間；用戶在測得每個（gè）任務的*長禁止調度時間基礎上，可以測得係統禁止任務調度的（de）*長時間，也是說做了個測量；每次發出的信息都帶有時間戳，用戶也容易得到任務（wù）級的響應時間。 這樣便於優化各個任務之間的通信，在保證測量數據（jù）準確的前提下提高響應的時間（jiān）。
3 結束語
本文基於現代（dài）智能流量儀表的特點提出了基於 μC／OS－III的智（zhì）能（néng）流量儀表人機界麵（miàn）設（shè）計， 將 μC／OS－III 移植到 Cortex－M3 處（chù）理器之（zhī）後能有（yǒu）效地優化程序，實現人機界麵更（gèng）加實時便捷的交互， 不僅能保證測量的（de）可靠性還能實時對測量數據進行傳輸避免了多任務之間的衝突。
在工業生產（chǎn）中，經常需要（yào）對生產過程中各種（zhǒng）流動介質（zhì）（如液體、氣體和蒸汽、固體粉末）的流量進行檢測，以便有效地控製生（shēng）產過程和了解更多有關生產的參數。 隨著智能流（liú）量儀（yí）表的不斷普及， 不斷優化（huà）人機界麵（miàn）的設計也成為各個智能儀表生產廠家關（guān）注的發展方向。 為（wéi）了提高智能流量儀表測量、處理數據的實時性和人（rén）機交互的可靠性， 本文提出了基於實施嵌入式操作係統 μC／OS－III 的設計方法，優化了（le）人機界麵的交互。
1 智能流量儀表概述
JKM-LDE電磁流量計是一類新型的、 內部裝有微處理器或單片機（jī）的（de）微（wēi）機（jī）化電子儀器，它是由傳統的電子儀器發展而（ér）來的，但在結構和內涵上已經發生了（le）本質的變化。 回顧電子（zǐ）儀器的發展（zhǎn）曆程，從儀器（qì）的工作原理（lǐ）來看， 是從模擬式電（diàn）子儀器階段發展（zhǎn）到數字式電子儀器階段，再發展到智能（néng）型儀器階段。 智能流（liú）量儀表具有以下特點：
1 ）自動（dòng）化程度高（gāo）。 智（zhì）能流量（liàng）儀表采用了微控製器為控製核心，具備良好的可編程能力，可以輕鬆完成數據自動采集、過（guò）程自（zì）動控製、故障自動診斷、數據自動處理等功能。 這不僅提高了工作效率，節省了勞動力，而且使自動化程度得到（dào）了提高。
2 ）接口豐富。 JKM-LDE電磁流量計往往都具備強大的（de）係統功能接口，且接口種類多、數量多、功能強。 如模擬（nǐ）量輸入和輸出、開關量輸入和輸出、人機接口和通訊（xùn）接口等。
3 ）具備通訊能力。JKM-LDE電磁流（liú）量計幾乎都具備通訊接口，如 RS－232C 接口、 RS485 接口、 USB 接口和以太網接（jiē）口（kǒu）等（děng）， 使得（dé）儀表本身能（néng）與外界有良好的信息交互。
4 ）多（duō）功能化、小型化和高可靠性。隨著科技的飛（fēi）速發展使得微控製器芯片、外圍電（diàn）路芯片等器件集成（chéng）度逐漸提高。 芯片功能越來越強，少數的幾個芯片就可以實現強大的功能。
5 ）人機界麵信息的（de）交互更加實時，通過各種信息的反饋及時提醒（xǐng）用戶（hù）在測量過程中出（chū）現（xiàn）的異常情況（kuàng）以保（bǎo）證參（cān）量參數的可靠性。
2 基於 μC／OS－III 在人機界麵的應用
2．1 嵌入式實時操（cāo）作係統
嵌入式係統，就是為了實現特定的功能，將硬件和軟件連結起來的計算機係統。 然而，隨著科技（jì）的不斷發展，單純（chún）的前、後台程序開發機製已經不再能滿足越來越複雜化和多樣化的嵌入式應用需求，因而現在常常采用嵌入式實時操（cāo）作係統（ RTOS ， RealTime Operating System ）進行實時多任務程序的開發。 μC／OS－III 是基（jī）於 μC－OS 發展起來的， 它是美國嵌入式係統專家 Jean J Labrosse 用 C 語言編寫的一個（gè）搶占式的多任務實時內核，其*大的特點是結構小巧。 μC／OS－III 是一（yī）個可擴（kuò）展的，可固化的，搶占式的實時內（nèi）核，它管理的任務個數不受限製。 它（tā）是*三代內（nèi）核，提（tí）供了現代實時內核所期望的所有功能包括資源管理（lǐ）、同步（bù）、內部（bù）任務交（jiāo）流等。 μC／OS－III 也提供了很多特性是（shì）在其他實時內核中所（suǒ）沒有的。 比如能在運行時測量運行性能，直接得發送信號或消息給任務（wù），任務能同時等待多個信號量和消息隊列。 如圖 1 所示實時應用（yòng）程序的設計通常包含多個任務，每個任務都是整體應用的一部分，都被賦予了（le）一（yī）定的優先（xiān）級， 當讓也可（kě）以多個任務共一個優先級， 且有（yǒu）獨自的（de）一套CPU 寄存器和棧空間。
μC／OS－III 中的每一個任務都是無限循環的 。 每個任務會有五種狀態，並且處於五種狀（zhuàng）態（tài）之一。 這五種狀態分別是（shì）：睡眠態（tài）、就緒態、運行態、等待態以及中（zhōng）斷服務態。 睡眠態是指任務隻是以代碼的形式存在於（yú）程序空間， 並未（wèi）交給操作係統進行管理； 就緒態是指係統為任務配備了任務控製塊且（qiě）在任務就緒表（biǎo）中進行了（le）就緒登記，使任（rèn）務具備了運行的充（chōng）分條件；運行態是指處於就緒態的任務如果經（jīng）調度器判斷獲得了 CPU 的使用權時的狀態；等待態則是正在（zài）運行的任務，需要等待一段時間或需（xū）要等待一個事件發生再運行； 中斷服務狀態是指一個正在運行的任務一旦響應中（zhōng）斷申請就會中（zhōng）止運行而去執行中斷服務程序。這五種狀態在係統管理下的轉換關係由（yóu）圖 2 所示。
2．2 人機界麵應用實例
人機界麵（ Human Machine Interaction ，簡稱 HMI ），又稱用戶界麵或使用者界麵，是人與計算機（jī）之（zhī）間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，是計算機係統的重要組成部分。 在智（zhì）能流量儀表的應用中（zhōng），界麵不（bú）僅顯示（shì）測量的流量數據和各種報（bào）警信息（xī），還（hái）能通（tōng）過界（jiè）麵參數的設定改變（biàn）測量有關的參數。 它主要包括鍵盤和LCD 顯示。
下麵以電磁流量（liàng）計為例說明基於 μC／OS－III 的人機界麵設計。 先將 μC／OS－III 移（yí）植到（dào） Cortex－M3 處（chù）理器上，這裏選用的是 STM32F103VET6 。電磁流量計的應用程序若按照上節的任務（wù）種類劃分有： 數據采集任務、數據處理任務， 4～20mA輸出任務， Hart 通訊（xùn）任務以及用戶（hù）交互任務。 先對不同的任務進行優先級的劃分，如表 1 所示。
在（zài）多任務（wù）操作係統中（zhōng），任務之間常常需要通過（guò）傳遞一個數據的方（fāng）式來進行通訊（xùn）。 為了（le）適應不同數據的需要，可以在內存中創建一個存儲空間作為該數據的緩衝（chōng）區。如果把這個（gè）緩衝區叫（jiào）做消息緩衝區，那麽在任務間傳（chuán）遞數據的一個（gè）*簡單的方法就是傳遞消息緩衝（chōng）區的（de）指針。 因此，這種用來（lái）傳遞（dì）消息緩（huǎn）衝區指針的（de）數據結構就稱為消息郵箱。相對（duì）於 μC／OS－II ， μC／OS－III 有內在性能測試，它允許（xǔ）用戶測得係統的*長關中斷時間，也就是提供了一些工具（jù）可以測量每個任務關中斷的時間；用戶在測得每個（gè）任務的*長禁止調度時間基礎上，可以測得係統禁止任務調度的（de）*長時間，也是說做了個測量；每次發出的信息都帶有時間戳，用戶也容易得到任務（wù）級的響應時間。 這樣便於優化各個任務之間的通信，在保證測量數據（jù）準確的前提下提高響應的時間（jiān）。
3 結束語
本文基於現代（dài）智能流量儀表的特點提出了基於 μC／OS－III的智（zhì）能（néng）流量儀表人機界麵（miàn）設（shè）計， 將 μC／OS－III 移植到 Cortex－M3 處（chù）理器之（zhī）後能有（yǒu）效地優化程序，實現人機界麵更（gèng）加實時便捷的交互， 不僅能保證測量的（de）可靠性還能實時對測量數據進行傳輸避免了多任務之間的衝突。