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液體管道流量計(jì)的概述與在人機(jī)界面的應(yīng)用
點(diǎn)擊次數(shù)：2557 發(fā)布時(shí)間：2021-01-02 05:48:05
摘要：*先著手于智能流量?jī)x表的發(fā)展，介紹其發(fā)展的特點(diǎn)，隨著智能流量?jī)x表功能的多樣化，單純的前、后臺(tái)程序開(kāi)發(fā)機(jī)制已經(jīng)不能滿足越來(lái)越復(fù)雜化、多樣化的嵌入式應(yīng)用需求，傳統(tǒng)的人機(jī)界面也已不適宜用戶更加方便快捷的使用，因此應(yīng)該選擇合適的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)， 針對(duì)不同操作系統(tǒng)的特性*后提出了基于 μC／OS－III 的智能流量?jī)x表的人機(jī)界面設(shè)計(jì)的方法，并且就 μC／OS－III 在液體管道流量計(jì)人機(jī)界面的應(yīng)用中進(jìn)行舉例說(shuō)明。
在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常需要對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中各種流動(dòng)介質(zhì)（如液體、氣體和蒸汽、固體粉末）的流量進(jìn)行檢測(cè)，以便有效地控制生產(chǎn)過(guò)程和了解更多有關(guān)生產(chǎn)的參數(shù)。 隨著智能流量?jī)x表的不斷普及， 不斷優(yōu)化人機(jī)界面的設(shè)計(jì)也成為各個(gè)智能儀表生產(chǎn)廠家關(guān)注的發(fā)展方向。 為了提高智能流量?jī)x表測(cè)量、處理數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和人機(jī)交互的可靠性， 本文提出了基于實(shí)施嵌入式操作系統(tǒng) μC／OS－III 的設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化了人機(jī)界面的交互。
1 智能流量?jī)x表概述
液體管道流量計(jì)是一類新型的、 內(nèi)部裝有微處理器或單片機(jī)的微機(jī)化電子儀器，它是由傳統(tǒng)的電子儀器發(fā)展而來(lái)的，但在結(jié)構(gòu)和內(nèi)涵上已經(jīng)發(fā)生了本質(zhì)的變化。 回顧電子儀器的發(fā)展歷程，從儀器的工作原理來(lái)看， 是從模擬式電子儀器階段發(fā)展到數(shù)字式電子儀器階段，再發(fā)展到智能型儀器階段。 智能流量?jī)x表具有以下特點(diǎn)：
1 ）自動(dòng)化程度高。 智能流量?jī)x表采用了微控制器為控制核心，具備良好的可編程能力，可以輕松完成數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、過(guò)程自動(dòng)控制、故障自動(dòng)診斷、數(shù)據(jù)自動(dòng)處理等功能。 這不僅提高了工作效率，節(jié)省了勞動(dòng)力，而且使自動(dòng)化程度得到了提高。
2 ）接口豐富。 液體管道流量計(jì)往往都具備強(qiáng)大的系統(tǒng)功能接口，且接口種類多、數(shù)量多、功能強(qiáng)。 如模擬量輸入和輸出、開(kāi)關(guān)量輸入和輸出、人機(jī)接口和通訊接口等。
3 ）具備通訊能力。液體管道流量計(jì)幾乎都具備通訊接口，如 RS－232C 接口、 RS485 接口、 USB 接口和以太網(wǎng)接口等， 使得儀表本身能與外界有良好的信息交互。
4 ）多功能化、小型化和高可靠性。隨著科技的飛速發(fā)展使得微控制器芯片、外圍電路芯片等器件集成度逐漸提高。 芯片功能越來(lái)越強(qiáng)，少數(shù)的幾個(gè)芯片就可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的功能。
5 ）人機(jī)界面信息的交互更加實(shí)時(shí)，通過(guò)各種信息的反饋及時(shí)提醒用戶在測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)的異常情況以保證參量參數(shù)的可靠性。
2 基于 μC／OS－III 在人機(jī)界面的應(yīng)用
2．1 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)
嵌入式系統(tǒng)，就是為了實(shí)現(xiàn)特定的功能，將硬件和軟件連結(jié)起來(lái)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 然而，隨著科技的不斷發(fā)展，單純的前、后臺(tái)程序開(kāi)發(fā)機(jī)制已經(jīng)不再能滿足越來(lái)越復(fù)雜化和多樣化的嵌入式應(yīng)用需求，因而現(xiàn)在常常采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（ RTOS ， RealTime Operating System ）進(jìn)行實(shí)時(shí)多任務(wù)程序的開(kāi)發(fā)。 μC／OS－III 是基于 μC－OS 發(fā)展起來(lái)的， 它是美國(guó)嵌入式系統(tǒng)專家 Jean J Labrosse 用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)的一個(gè)搶占式的多任務(wù)實(shí)時(shí)內(nèi)核，其*大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)小巧。 μC／OS－III 是一個(gè)可擴(kuò)展的，可固化的，搶占式的實(shí)時(shí)內(nèi)核，它管理的任務(wù)個(gè)數(shù)不受限制。 它是*三代內(nèi)核，提供了現(xiàn)代實(shí)時(shí)內(nèi)核所期望的所有功能包括資源管理、同步、內(nèi)部任務(wù)交流等。 μC／OS－III 也提供了很多特性是在其他實(shí)時(shí)內(nèi)核中所沒(méi)有的。 比如能在運(yùn)行時(shí)測(cè)量運(yùn)行性能，直接得發(fā)送信號(hào)或消息給任務(wù)，任務(wù)能同時(shí)等待多個(gè)信號(hào)量和消息隊(duì)列。 如圖 1 所示實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)通常包含多個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)都是整體應(yīng)用的一部分，都被賦予了一定的優(yōu)先級(jí)， 當(dāng)讓也可以多個(gè)任務(wù)共一個(gè)優(yōu)先級(jí)， 且有獨(dú)自的一套CPU 寄存器和?？臻g。
μC／OS－III 中的每一個(gè)任務(wù)都是無(wú)限循環(huán)的 。 每個(gè)任務(wù)會(huì)有五種狀態(tài)，并且處于五種狀態(tài)之一。 這五種狀態(tài)分別是：睡眠態(tài)、就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)、等待態(tài)以及中斷服務(wù)態(tài)。 睡眠態(tài)是指任務(wù)只是以代碼的形式存在于程序空間， 并未交給操作系統(tǒng)進(jìn)行管理； 就緒態(tài)是指系統(tǒng)為任務(wù)配備了任務(wù)控制塊且在任務(wù)就緒表中進(jìn)行了就緒登記，使任務(wù)具備了運(yùn)行的充分條件；運(yùn)行態(tài)是指處于就緒態(tài)的任務(wù)如果經(jīng)調(diào)度器判斷獲得了 CPU 的使用權(quán)時(shí)的狀態(tài)；等待態(tài)則是正在運(yùn)行的任務(wù)，需要等待一段時(shí)間或需要等待一個(gè)事件發(fā)生再運(yùn)行； 中斷服務(wù)狀態(tài)是指一個(gè)正在運(yùn)行的任務(wù)一旦響應(yīng)中斷申請(qǐng)就會(huì)中止運(yùn)行而去執(zhí)行中斷服務(wù)程序。這五種狀態(tài)在系統(tǒng)管理下的轉(zhuǎn)換關(guān)系由圖 2 所示。
2．2 人機(jī)界面應(yīng)用實(shí)例
人機(jī)界面（ Human Machine Interaction ，簡(jiǎn)稱 HMI ），又稱用戶界面或使用者界面，是人與計(jì)算機(jī)之間傳遞、交換信息的媒介和對(duì)話接口，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。 在智能流量?jī)x表的應(yīng)用中，界面不僅顯示測(cè)量的流量數(shù)據(jù)和各種報(bào)警信息，還能通過(guò)界面參數(shù)的設(shè)定改變測(cè)量有關(guān)的參數(shù)。 它主要包括鍵盤(pán)和LCD 顯示。
下面以電磁流量計(jì)為例說(shuō)明基于 μC／OS－III 的人機(jī)界面設(shè)計(jì)。 先將 μC／OS－III 移植到 Cortex－M3 處理器上，這里選用的是 STM32F103VET6 。電磁流量計(jì)的應(yīng)用程序若按照上節(jié)的任務(wù)種類劃分有： 數(shù)據(jù)采集任務(wù)、數(shù)據(jù)處理任務(wù)， 4～20mA輸出任務(wù)， Hart 通訊任務(wù)以及用戶交互任務(wù)。 先對(duì)不同的任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)的劃分，如表 1 所示。
在多任務(wù)操作系統(tǒng)中，任務(wù)之間常常需要通過(guò)傳遞一個(gè)數(shù)據(jù)的方式來(lái)進(jìn)行通訊。 為了適應(yīng)不同數(shù)據(jù)的需要，可以在內(nèi)存中創(chuàng)建一個(gè)存儲(chǔ)空間作為該數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。如果把這個(gè)緩沖區(qū)叫做消息緩沖區(qū)，那么在任務(wù)間傳遞數(shù)據(jù)的一個(gè)*簡(jiǎn)單的方法就是傳遞消息緩沖區(qū)的指針。 因此，這種用來(lái)傳遞消息緩沖區(qū)指針的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就稱為消息郵箱。相對(duì)于 μC／OS－II ， μC／OS－III 有內(nèi)在性能測(cè)試，它允許用戶測(cè)得系統(tǒng)的*長(zhǎng)關(guān)中斷時(shí)間，也就是提供了一些工具可以測(cè)量每個(gè)任務(wù)關(guān)中斷的時(shí)間；用戶在測(cè)得每個(gè)任務(wù)的*長(zhǎng)禁止調(diào)度時(shí)間基礎(chǔ)上，可以測(cè)得系統(tǒng)禁止任務(wù)調(diào)度的*長(zhǎng)時(shí)間，也是說(shuō)做了個(gè)測(cè)量；每次發(fā)出的信息都帶有時(shí)間戳，用戶也容易得到任務(wù)級(jí)的響應(yīng)時(shí)間。 這樣便于優(yōu)化各個(gè)任務(wù)之間的通信，在保證測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的前提下提高響應(yīng)的時(shí)間。
3 結(jié)束語(yǔ)
本文基于現(xiàn)代智能流量?jī)x表的特點(diǎn)提出了基于 μC／OS－III的智能流量?jī)x表人機(jī)界面設(shè)計(jì)， 將 μC／OS－III 移植到 Cortex－M3 處理器之后能有效地優(yōu)化程序，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面更加實(shí)時(shí)便捷的交互， 不僅能保證測(cè)量的可靠性還能實(shí)時(shí)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸避免了多任務(wù)之間的沖突。
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1 智能流量?jī)x表概述
液體管道流量計(jì)是一類新型的、 內(nèi)部裝有微處理器或單片機(jī)的微機(jī)化電子儀器，它是由傳統(tǒng)的電子儀器發(fā)展而來(lái)的，但在結(jié)構(gòu)和內(nèi)涵上已經(jīng)發(fā)生了本質(zhì)的變化。 回顧電子儀器的發(fā)展歷程，從儀器的工作原理來(lái)看， 是從模擬式電子儀器階段發(fā)展到數(shù)字式電子儀器階段，再發(fā)展到智能型儀器階段。 智能流量?jī)x表具有以下特點(diǎn)：
1 ）自動(dòng)化程度高。 智能流量?jī)x表采用了微控制器為控制核心，具備良好的可編程能力，可以輕松完成數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、過(guò)程自動(dòng)控制、故障自動(dòng)診斷、數(shù)據(jù)自動(dòng)處理等功能。 這不僅提高了工作效率，節(jié)省了勞動(dòng)力，而且使自動(dòng)化程度得到了提高。
2 ）接口豐富。 液體管道流量計(jì)往往都具備強(qiáng)大的系統(tǒng)功能接口，且接口種類多、數(shù)量多、功能強(qiáng)。 如模擬量輸入和輸出、開(kāi)關(guān)量輸入和輸出、人機(jī)接口和通訊接口等。
3 ）具備通訊能力。液體管道流量計(jì)幾乎都具備通訊接口，如 RS－232C 接口、 RS485 接口、 USB 接口和以太網(wǎng)接口等， 使得儀表本身能與外界有良好的信息交互。
4 ）多功能化、小型化和高可靠性。隨著科技的飛速發(fā)展使得微控制器芯片、外圍電路芯片等器件集成度逐漸提高。 芯片功能越來(lái)越強(qiáng)，少數(shù)的幾個(gè)芯片就可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的功能。
5 ）人機(jī)界面信息的交互更加實(shí)時(shí)，通過(guò)各種信息的反饋及時(shí)提醒用戶在測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)的異常情況以保證參量參數(shù)的可靠性。
2 基于 μC／OS－III 在人機(jī)界面的應(yīng)用
2．1 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)
嵌入式系統(tǒng)，就是為了實(shí)現(xiàn)特定的功能，將硬件和軟件連結(jié)起來(lái)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 然而，隨著科技的不斷發(fā)展，單純的前、后臺(tái)程序開(kāi)發(fā)機(jī)制已經(jīng)不再能滿足越來(lái)越復(fù)雜化和多樣化的嵌入式應(yīng)用需求，因而現(xiàn)在常常采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（ RTOS ， RealTime Operating System ）進(jìn)行實(shí)時(shí)多任務(wù)程序的開(kāi)發(fā)。 μC／OS－III 是基于 μC－OS 發(fā)展起來(lái)的， 它是美國(guó)嵌入式系統(tǒng)專家 Jean J Labrosse 用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)的一個(gè)搶占式的多任務(wù)實(shí)時(shí)內(nèi)核，其*大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)小巧。 μC／OS－III 是一個(gè)可擴(kuò)展的，可固化的，搶占式的實(shí)時(shí)內(nèi)核，它管理的任務(wù)個(gè)數(shù)不受限制。 它是*三代內(nèi)核，提供了現(xiàn)代實(shí)時(shí)內(nèi)核所期望的所有功能包括資源管理、同步、內(nèi)部任務(wù)交流等。 μC／OS－III 也提供了很多特性是在其他實(shí)時(shí)內(nèi)核中所沒(méi)有的。 比如能在運(yùn)行時(shí)測(cè)量運(yùn)行性能，直接得發(fā)送信號(hào)或消息給任務(wù)，任務(wù)能同時(shí)等待多個(gè)信號(hào)量和消息隊(duì)列。 如圖 1 所示實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)通常包含多個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)都是整體應(yīng)用的一部分，都被賦予了一定的優(yōu)先級(jí)， 當(dāng)讓也可以多個(gè)任務(wù)共一個(gè)優(yōu)先級(jí)， 且有獨(dú)自的一套CPU 寄存器和?？臻g。
μC／OS－III 中的每一個(gè)任務(wù)都是無(wú)限循環(huán)的 。 每個(gè)任務(wù)會(huì)有五種狀態(tài)，并且處于五種狀態(tài)之一。 這五種狀態(tài)分別是：睡眠態(tài)、就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)、等待態(tài)以及中斷服務(wù)態(tài)。 睡眠態(tài)是指任務(wù)只是以代碼的形式存在于程序空間， 并未交給操作系統(tǒng)進(jìn)行管理； 就緒態(tài)是指系統(tǒng)為任務(wù)配備了任務(wù)控制塊且在任務(wù)就緒表中進(jìn)行了就緒登記，使任務(wù)具備了運(yùn)行的充分條件；運(yùn)行態(tài)是指處于就緒態(tài)的任務(wù)如果經(jīng)調(diào)度器判斷獲得了 CPU 的使用權(quán)時(shí)的狀態(tài)；等待態(tài)則是正在運(yùn)行的任務(wù)，需要等待一段時(shí)間或需要等待一個(gè)事件發(fā)生再運(yùn)行； 中斷服務(wù)狀態(tài)是指一個(gè)正在運(yùn)行的任務(wù)一旦響應(yīng)中斷申請(qǐng)就會(huì)中止運(yùn)行而去執(zhí)行中斷服務(wù)程序。這五種狀態(tài)在系統(tǒng)管理下的轉(zhuǎn)換關(guān)系由圖 2 所示。
2．2 人機(jī)界面應(yīng)用實(shí)例
人機(jī)界面（ Human Machine Interaction ，簡(jiǎn)稱 HMI ），又稱用戶界面或使用者界面，是人與計(jì)算機(jī)之間傳遞、交換信息的媒介和對(duì)話接口，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。 在智能流量?jī)x表的應(yīng)用中，界面不僅顯示測(cè)量的流量數(shù)據(jù)和各種報(bào)警信息，還能通過(guò)界面參數(shù)的設(shè)定改變測(cè)量有關(guān)的參數(shù)。 它主要包括鍵盤(pán)和LCD 顯示。
下面以電磁流量計(jì)為例說(shuō)明基于 μC／OS－III 的人機(jī)界面設(shè)計(jì)。 先將 μC／OS－III 移植到 Cortex－M3 處理器上，這里選用的是 STM32F103VET6 。電磁流量計(jì)的應(yīng)用程序若按照上節(jié)的任務(wù)種類劃分有： 數(shù)據(jù)采集任務(wù)、數(shù)據(jù)處理任務(wù)， 4～20mA輸出任務(wù)， Hart 通訊任務(wù)以及用戶交互任務(wù)。 先對(duì)不同的任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)的劃分，如表 1 所示。
在多任務(wù)操作系統(tǒng)中，任務(wù)之間常常需要通過(guò)傳遞一個(gè)數(shù)據(jù)的方式來(lái)進(jìn)行通訊。 為了適應(yīng)不同數(shù)據(jù)的需要，可以在內(nèi)存中創(chuàng)建一個(gè)存儲(chǔ)空間作為該數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。如果把這個(gè)緩沖區(qū)叫做消息緩沖區(qū)，那么在任務(wù)間傳遞數(shù)據(jù)的一個(gè)*簡(jiǎn)單的方法就是傳遞消息緩沖區(qū)的指針。 因此，這種用來(lái)傳遞消息緩沖區(qū)指針的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就稱為消息郵箱。相對(duì)于 μC／OS－II ， μC／OS－III 有內(nèi)在性能測(cè)試，它允許用戶測(cè)得系統(tǒng)的*長(zhǎng)關(guān)中斷時(shí)間，也就是提供了一些工具可以測(cè)量每個(gè)任務(wù)關(guān)中斷的時(shí)間；用戶在測(cè)得每個(gè)任務(wù)的*長(zhǎng)禁止調(diào)度時(shí)間基礎(chǔ)上，可以測(cè)得系統(tǒng)禁止任務(wù)調(diào)度的*長(zhǎng)時(shí)間，也是說(shuō)做了個(gè)測(cè)量；每次發(fā)出的信息都帶有時(shí)間戳，用戶也容易得到任務(wù)級(jí)的響應(yīng)時(shí)間。 這樣便于優(yōu)化各個(gè)任務(wù)之間的通信，在保證測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的前提下提高響應(yīng)的時(shí)間。
3 結(jié)束語(yǔ)
本文基于現(xiàn)代智能流量?jī)x表的特點(diǎn)提出了基于 μC／OS－III的智能流量?jī)x表人機(jī)界面設(shè)計(jì)， 將 μC／OS－III 移植到 Cortex－M3 處理器之后能有效地優(yōu)化程序，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面更加實(shí)時(shí)便捷的交互， 不僅能保證測(cè)量的可靠性還能實(shí)時(shí)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸避免了多任務(wù)之間的沖突。
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