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液體管道流量計的概述與在人機界麵的應用
點擊次數：1998 發布時間：2021-01-02 05:48:05
摘要：*先著手（shǒu）於智能流量儀表的發展，介（jiè）紹其發展的特點，隨著智能流量儀表功能的多樣化，單（dān）純的前（qián）、後台程序開發機製已經不能滿足越來越複雜化、多樣化的嵌入式應用需求，傳統的人機界麵也已不適宜用戶更加方便快捷的使用，因（yīn）此應該選擇合適的實時操作係統， 針（zhēn）對不同操作係（xì）統的特性*後提出了基於 μC／OS－III 的智能流量儀表的人機界麵設計的方法，並且就 μC／OS－III 在液體管道流量計人機界麵的應用中進行舉例說明。
在（zài）工（gōng）業生產中，經常需要對（duì）生產過程中各（gè）種流（liú）動介質（如液體、氣體和蒸汽（qì）、固體粉末）的流量進行檢測，以便有（yǒu）效地控製生產（chǎn）過程和（hé）了解更多有（yǒu）關生產的參數（shù）。 隨著智能（néng）流量儀表的不斷普及， 不斷優化人機界麵的設計也（yě）成為各個智能儀表生產（chǎn）廠家關注（zhù）的發展方向。 為了提高智能流量儀表測量、處理數據的實時性和人機交互（hù）的可靠性， 本文提（tí）出（chū）了基於實施嵌入式操作係統 μC／OS－III 的設（shè）計方法，優化了人機界麵的交互。
1 智能流量儀表（biǎo）概述
液體管道流量計是一（yī）類新型的、 內部裝有微處理器或單片機的微機化電子儀器，它是由傳統的電子儀器發展而來（lái）的，但在結構和內（nèi）涵上已（yǐ）經發生了本質的變化。 回顧電子（zǐ）儀器的發展曆程，從儀器的工作原（yuán）理來看， 是從模擬式電子儀器階段發展到數字式電（diàn）子（zǐ）儀器階段，再發展到智能型（xíng）儀器階段。 智能流量儀表具（jù）有以下（xià）特點：
1 ）自動化程度高。 智能流量儀表采用了微控製器為控（kòng）製核（hé）心，具備（bèi）良好的可編程能力，可以輕鬆完成數據自動采集、過程自（zì）動控製、故障自動診斷、數據自動（dòng）處理等功能。 這不僅提（tí）高了工作（zuò）效率，節省了勞動力，而且使自動化程度得到了提高。
2 ）接口豐富（fù）。 液體管道流量計往往都具備強大（dà）的係統功能接（jiē）口，且接口種類多、數量多、功能強。 如模擬量輸入和輸出、開關量輸入和輸出（chū）、人機接（jiē）口和通訊接口等。
3 ）具備通訊能（néng）力。液體管道流量計幾乎都具備通訊接口，如（rú） RS－232C 接口、 RS485 接口、 USB 接口和以太網接口等， 使得儀表本（běn）身能與（yǔ）外界（jiè）有良（liáng）好的信息交互。
4 ）多功能化（huà）、小型化（huà）和高可靠性。隨著科技的（de）飛（fēi）速發展使得（dé）微控製器芯片、外（wài）圍電路芯片等器件集成度逐漸提（tí）高。 芯片功能越來越強，少數的幾個芯（xīn）片就可以實現強大的功能。
5 ）人機界麵（miàn）信息的（de）交互更加實時，通過各種信（xìn）息的反饋及時提醒用戶在測量過程中出現的異常（cháng）情況（kuàng）以保證參量參數的可靠性。
2 基於 μC／OS－III 在人機界麵的應用
2．1 嵌入式實時操作係統
嵌入式係統，就是為（wéi）了實現特定的（de）功能，將硬件和軟件（jiàn）連結起來的計算機係統。 然而，隨著科技的不斷發展（zhǎn），單純的（de）前、後台程序開發機製已經不再能滿足越來越（yuè）複雜化和（hé）多樣化的嵌入式應用需求，因而現在常常采用嵌入式實（shí）時操作係統（ RTOS ， RealTime Operating System ）進行實時多（duō）任務程序的開發。 μC／OS－III 是基於 μC－OS 發展起來的， 它是美國嵌入式係統專家（jiā） Jean J Labrosse 用 C 語言編寫的（de）一個搶占式的多（duō）任務實時內核，其（qí）*大的特點是結構小巧。 μC／OS－III 是一個可擴展的，可固化的，搶占式的實時內核，它管理的任務個（gè）數不受限製（zhì）。 它是*三代內核，提供了現代實時內核（hé）所（suǒ）期望的所有功能包括資源管理、同（tóng）步、內部任務交流等。 μC／OS－III 也提供了很（hěn）多特性是在其他（tā）實時（shí）內核中所沒有的。 比如能（néng）在運行時測量（liàng）運行性能，直接得發送信號或消息給任（rèn）務，任務能同時（shí）等待多個信號量和（hé）消息隊列。 如圖 1 所示實時（shí）應用程序的設（shè）計通常包含（hán）多個任務，每個任務（wù）都（dōu）是整體應（yīng）用的一部分，都被（bèi）賦（fù）予了一定的優先級， 當讓也可以多個任（rèn）務共一個優先級， 且有獨自的（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（huán）的 。 每個任務會有五種狀態，並且處於五種狀態之一（yī）。 這五種狀態分別是：睡眠態、就緒（xù）態、運行態、等待態以及中斷服務態。 睡眠（mián）態是指任務隻是以（yǐ）代碼的形式存在於程序空間， 並未交給（gěi）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在任務就緒表中進（jìn）行了就緒登記（jì），使任務具備了運行的充分條件（jiàn）；運行態是指（zhǐ）處於就緒態的（de）任務如果經調度器判斷獲（huò）得了 CPU 的使（shǐ）用權時的狀態；等待態則是（shì）正在運行的任務，需要等待一（yī）段時間或需要等待一個（gè）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斷（duàn）申請就會中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圖 2 所示。
2．2 人機界麵應用實例（lì）
人機界麵（miàn）（ Human Machine Interaction ，簡稱 HMI ），又（yòu）稱用戶界麵或使用者界麵，是人與計算機之間傳遞、交換（huàn）信息的媒介和對話接口，是計算機係統的重要組成部分。 在智能流量（liàng）儀表的應用中，界麵不僅顯示測量（liàng）的流（liú）量數據和各種報警信息，還能通過界麵參數的設定改變測量有關的參數。 它主要包括鍵盤（pán）和LCD 顯示。
下麵以電磁流量計為例說明基於 μC／OS－III 的（de）人（rén）機（jī）界（jiè）麵設計。 先將 μC／OS－III 移植到 Cortex－M3 處（chù）理器上，這裏（lǐ）選用（yòng）的是 STM32F103VET6 。電磁流量計的應用程序若按照上節的任務種類劃（huá）分有： 數據采集任務、數據處理任務， 4～20mA輸出任務， Hart 通訊任務以及（jí）用戶交互（hù）任務。 先對不同的任務進行優先級的劃分，如表 1 所示。
在多任務操（cāo）作係統（tǒng）中，任務之間常常需要通過傳遞一個數據（jù）的方式來進行通訊。 為了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（shù）據的緩衝區。如果把這（zhè）個緩衝區叫（jiào）做消息緩（huǎn）衝區，那麽在任（rèn）務間傳遞數據的一個*簡單（dān）的方法（fǎ）就是傳（chuán）遞消息緩（huǎn）衝區的指針（zhēn）。 因此，這種用來傳遞消息緩衝區指針的數據結構就稱為消息郵箱。相對於 μC／OS－II ， μC／OS－III 有內在（zài）性能測試，它允許用（yòng）戶測（cè）得係統的*長（zhǎng）關中斷時間，也就是提供了一些（xiē）工具可以測量每個任務關中斷的時間；用戶在測得每個任務的*長禁止調（diào）度時（shí）間基礎上，可以（yǐ）測得係統（tǒng）禁止任務調度（dù）的*長（zhǎng）時間，也（yě）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（dé）到任務級的響應時間。 這樣便（biàn）於優化各個任務之間的通信，在保證測量數據準確的前提下提高響應的時間。
3 結束語
本文基於現代智能流（liú）量儀（yí）表的特點提出了基（jī）於 μC／OS－III的智能流量儀表人機界麵設計， 將 μC／OS－III 移（yí）植（zhí）到 Cortex－M3 處理器之後能有效（xiào）地優化程序，實現（xiàn）人機界麵更（gèng）加實時便捷的交互， 不僅能保證（zhèng）測（cè）量（liàng）的可靠性還能實時對測（cè）量數據進（jìn）行傳輸避免了多任務之間的衝突。
液體（tǐ）管道流量計的型號規格 液體（tǐ）管道（dào）流量計分類與用（yòng）途 液體管道流（liú）量計計量不準（zhǔn）確 管道式液體流量計在線（xiàn）校準方法 液體管道流量（liàng）計接線圖 液體管道流量計的原理 液體管道流（liú）量（liàng）計安裝規範 液體管道流量計在工業管道測量中選（xuǎn）型安裝（zhuāng）與調試 液體管道流（liú）量計在航空工業應用領域中（zhōng）的關鍵（jiàn）作用 使用液體管道流量計實現流體自動混合解決方案 在石油化工中液（yè）體（tǐ）管道流量計的應用（yòng）與過程控製（zhì） 液體管（guǎn）道流量（liàng）計的概述與（yǔ）在人機（jī）界麵的應用
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1 智能流量儀表（biǎo）概述
液體管道流量計是一（yī）類新型的、 內部裝有微處理器或單片機的微機化電子儀器，它是由傳統的電子儀器發展而來（lái）的，但在結構和內（nèi）涵上已（yǐ）經發生了本質的變化。 回顧電子（zǐ）儀器的發展曆程，從儀器的工作原（yuán）理來看， 是從模擬式電子儀器階段發展到數字式電（diàn）子（zǐ）儀器階段，再發展到智能型（xíng）儀器階段。 智能流量儀表具（jù）有以下（xià）特點：
1 ）自動化程度高。 智能流量儀表采用了微控製器為控（kòng）製核（hé）心，具備（bèi）良好的可編程能力，可以輕鬆完成數據自動采集、過程自（zì）動控製、故障自動診斷、數據自動（dòng）處理等功能。 這不僅提（tí）高了工作（zuò）效率，節省了勞動力，而且使自動化程度得到了提高。
2 ）接口豐富（fù）。 液體管道流量計往往都具備強大（dà）的係統功能接（jiē）口，且接口種類多、數量多、功能強。 如模擬量輸入和輸出、開關量輸入和輸出（chū）、人機接（jiē）口和通訊接口等。
3 ）具備通訊能（néng）力。液體管道流量計幾乎都具備通訊接口，如（rú） RS－232C 接口、 RS485 接口、 USB 接口和以太網接口等， 使得儀表本（běn）身能與（yǔ）外界（jiè）有良（liáng）好的信息交互。
4 ）多功能化（huà）、小型化（huà）和高可靠性。隨著科技的（de）飛（fēi）速發展使得（dé）微控製器芯片、外（wài）圍電路芯片等器件集成度逐漸提（tí）高。 芯片功能越來越強，少數的幾個芯（xīn）片就可以實現強大的功能。
5 ）人機界麵（miàn）信息的（de）交互更加實時，通過各種信（xìn）息的反饋及時提醒用戶在測量過程中出現的異常（cháng）情況（kuàng）以保證參量參數的可靠性。
2 基於 μC／OS－III 在人機界麵的應用
2．1 嵌入式實時操作係統
嵌入式係統，就是為（wéi）了實現特定的（de）功能，將硬件和軟件（jiàn）連結起來的計算機係統。 然而，隨著科技的不斷發展（zhǎn），單純的（de）前、後台程序開發機製已經不再能滿足越來越（yuè）複雜化和（hé）多樣化的嵌入式應用需求，因而現在常常采用嵌入式實（shí）時操作係統（ RTOS ， RealTime Operating System ）進行實時多（duō）任務程序的開發。 μC／OS－III 是基於 μC－OS 發展起來的， 它是美國嵌入式係統專家（jiā） Jean J Labrosse 用 C 語言編寫的（de）一個搶占式的多（duō）任務實時內核，其（qí）*大的特點是結構小巧。 μC／OS－III 是一個可擴展的，可固化的，搶占式的實時內核，它管理的任務個（gè）數不受限製（zhì）。 它是*三代內核，提供了現代實時內核（hé）所（suǒ）期望的所有功能包括資源管理、同（tóng）步、內部任務交流等。 μC／OS－III 也提供了很（hěn）多特性是在其他（tā）實時（shí）內核中所沒有的。 比如能（néng）在運行時測量（liàng）運行性能，直接得發送信號或消息給任（rèn）務，任務能同時（shí）等待多個信號量和（hé）消息隊列。 如圖 1 所示實時（shí）應用程序的設（shè）計通常包含（hán）多個任務，每個任務（wù）都（dōu）是整體應（yīng）用的一部分，都被（bèi）賦（fù）予了一定的優先級， 當讓也可以多個任（rèn）務共一個優先級， 且有獨自的（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（huán）的 。 每個任務會有五種狀態，並且處於五種狀態之一（yī）。 這五種狀態分別是：睡眠態、就緒（xù）態、運行態、等待態以及中斷服務態。 睡眠（mián）態是指任務隻是以（yǐ）代碼的形式存在於程序空間， 並未交給（gěi）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在任務就緒表中進（jìn）行了就緒登記（jì），使任務具備了運行的充分條件（jiàn）；運行態是指（zhǐ）處於就緒態的（de）任務如果經調度器判斷獲（huò）得了 CPU 的使（shǐ）用權時的狀態；等待態則是（shì）正在運行的任務，需要等待一（yī）段時間或需要等待一個（gè）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斷（duàn）申請就會中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圖 2 所示。
2．2 人機界麵應用實例（lì）
人機界麵（miàn）（ Human Machine Interaction ，簡稱 HMI ），又（yòu）稱用戶界麵或使用者界麵，是人與計算機之間傳遞、交換（huàn）信息的媒介和對話接口，是計算機係統的重要組成部分。 在智能流量（liàng）儀表的應用中，界麵不僅顯示測量（liàng）的流（liú）量數據和各種報警信息，還能通過界麵參數的設定改變測量有關的參數。 它主要包括鍵盤（pán）和LCD 顯示。
下麵以電磁流量計為例說明基於 μC／OS－III 的（de）人（rén）機（jī）界（jiè）麵設計。 先將 μC／OS－III 移植到 Cortex－M3 處（chù）理器上，這裏（lǐ）選用（yòng）的是 STM32F103VET6 。電磁流量計的應用程序若按照上節的任務種類劃（huá）分有： 數據采集任務、數據處理任務， 4～20mA輸出任務， Hart 通訊任務以及（jí）用戶交互（hù）任務。 先對不同的任務進行優先級的劃分，如表 1 所示。
在多任務操（cāo）作係統（tǒng）中，任務之間常常需要通過傳遞一個數據（jù）的方式來進行通訊。 為了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（shù）據的緩衝區。如果把這（zhè）個緩衝區叫（jiào）做消息緩（huǎn）衝區，那麽在任（rèn）務間傳遞數據的一個*簡單（dān）的方法（fǎ）就是傳（chuán）遞消息緩（huǎn）衝區的指針（zhēn）。 因此，這種用來傳遞消息緩衝區指針的數據結構就稱為消息郵箱。相對於 μC／OS－II ， μC／OS－III 有內在（zài）性能測試，它允許用（yòng）戶測（cè）得係統的*長（zhǎng）關中斷時間，也就是提供了一些（xiē）工具可以測量每個任務關中斷的時間；用戶在測得每個任務的*長禁止調（diào）度時（shí）間基礎上，可以（yǐ）測得係統（tǒng）禁止任務調度（dù）的*長（zhǎng）時間，也（yě）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（dé）到任務級的響應時間。 這樣便（biàn）於優化各個任務之間的通信，在保證測量數據準確的前提下提高響應的時間。
3 結束語
本文基於現代智能流（liú）量儀（yí）表的特點提出了基（jī）於 μC／OS－III的智能流量儀表人機界麵設計， 將 μC／OS－III 移（yí）植（zhí）到 Cortex－M3 處理器之後能有效（xiào）地優化程序，實現（xiàn）人機界麵更（gèng）加實時便捷的交互， 不僅能保證（zhèng）測（cè）量（liàng）的可靠性還能實時對測（cè）量數據進（jìn）行傳輸避免了多任務之間的衝突。
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