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基于μC／OS－III的JKM-LDE電磁流量計人機界面設計
點擊次數：2705 發布時間：2021-01-01 13:31:53
摘要：*先著手于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、后臺程序開發機制已經不能滿足越來越復雜化、多樣化的嵌入式應用需求，傳統的人機界面也已不適宜用戶更加方便快捷的使用，因此應該選擇合適的實時操作系統， 針對不同操作系統的特性*后提出了基于 μC／OS－III 的智能流量儀表的人機界面設計的方法，并且就 μC／OS－III 在JKM-LDE電磁流量計人機界面的應用中進行舉例說明。
在工業生產中，經常需要對生產過程中各種流動介質（如液體、氣體和蒸汽、固體粉末）的流量進行檢測，以便有效地控制生產過程和了解更多有關生產的參數。 隨著智能流量儀表的不斷普及， 不斷優化人機界面的設計也成為各個智能儀表生產廠家關注的發展方向。 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的可靠性， 本文提出了基于實施嵌入式操作系統 μC／OS－III 的設計方法，優化了人機界面的交互。
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的微機化電子儀器，它是由傳統的電子儀器發展而來的，但在結構和內涵上已經發生了本質的變化。 回顧電子儀器的發展歷程，從儀器的工作原理來看， 是從模擬式電子儀器階段發展到數字式電子儀器階段，再發展到智能型儀器階段。 智能流量儀表具有以下特點：
1 ）自動化程度高。 智能流量儀表采用了微控制器為控制核心，具備良好的可編程能力，可以輕松完成數據自動采集、過程自動控制、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了提高。
2 ）接口豐富。 JKM-LDE電磁流量計往往都具備強大的系統功能接口，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、人機接口和通訊接口等。
3 ）具備通訊能力。JKM-LDE電磁流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。 芯片功能越來越強，少數的幾個芯片就可以實現強大的功能。
5 ）人機界面信息的交互更加實時，通過各種信息的反饋及時提醒用戶在測量過程中出現的異常情況以保證參量參數的可靠性。
2 基于 μC／OS－III 在人機界面的應用
2．1 嵌入式實時操作系統
嵌入式系統，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系統。 然而，隨著科技的不斷發展，單純的前、后臺程序開發機制已經不再能滿足越來越復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作系統（ RTOS ， RealTime Operating System ）進行實時多任務程序的開發。 μC／OS－III 是基于 μC－OS 發展起來的， 它是美國嵌入式系統專家 Jean J Labrosse 用 C 語言編寫的一個搶占式的多任務實時內核，其*大的特點是結構小巧。 μC／OS－III 是一個可擴展的，可固化的，搶占式的實時內核，它管理的任務個數不受限制。 它是*三代內核，提供了現代實時內核所期望的所有功能包括資源管理、同步、內部任務交流等。 μC／OS－III 也提供了很多特性是在其他實時內核中所沒有的。 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，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，都被賦予了一定的優先級， 當讓也可以多個任務共一個優先級， 且有獨自的一套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，并且處于五種狀態之一。 這五種狀態分別是：睡眠態、就緒態、運行態、等待態以及中斷服務態。 睡眠態是指任務只是以代碼的形式存在于程序空間， 并未交給操作系統進行管理； 就緒態是指系統為任務配備了任務控制塊且在任務就緒表中進行了就緒登記，使任務具備了運行的充分條件；運行態是指處于就緒態的任務如果經調度器判斷獲得了 CPU 的使用權時的狀態；等待態則是正在運行的任務，需要等待一段時間或需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斷申請就會中止運行而去執行中斷服務程序。這五種狀態在系統管理下的轉換關系由圖 2 所示。
2．2 人機界面應用實例
人機界面（ Human Machine Interaction ，簡稱 HMI ），又稱用戶界面或使用者界面，是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，是計算機系統的重要組成部分。 在智能流量儀表的應用中，界面不僅顯示測量的流量數據和各種報警信息，還能通過界面參數的設定改變測量有關的參數。 它主要包括鍵盤和LCD 顯示。
下面以電磁流量計為例說明基于 μC／OS－III 的人機界面設計。 先將 μC／OS－III 移植到 Cortex－M3 處理器上，這里選用的是 STM32F103VET6 。電磁流量計的應用程序若按照上節的任務種類劃分有： 數據采集任務、數據處理任務， 4～20mA輸出任務， Hart 通訊任務以及用戶交互任務。 先對不同的任務進行優先級的劃分，如表 1 所示。
在多任務操作系統中，任務之間常常需要通過傳遞一個數據的方式來進行通訊。 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據的緩沖區。如果把這個緩沖區叫做消息緩沖區，那么在任務間傳遞數據的一個*簡單的方法就是傳遞消息緩沖區的指針。 因此，這種用來傳遞消息緩沖區指針的數據結構就稱為消息郵箱。相對于 μC／OS－II ， μC／OS－III 有內在性能測試，它允許用戶測得系統的*長關中斷時間，也就是提供了一些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*長禁止調度時間基礎上，可以測得系統禁止任務調度的*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級的響應時間。 這樣便于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
本文基于現代智能流量儀表的特點提出了基于 μC／OS－III的智能流量儀表人機界面設計， 將 μC／OS－III 移植到 Cortex－M3 處理器之后能有效地優化程序，實現人機界面更加實時便捷的交互， 不僅能保證測量的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沖突。
在工業生產中，經常需要對生產過程中各種流動介質（如液體、氣體和蒸汽、固體粉末）的流量進行檢測，以便有效地控制生產過程和了解更多有關生產的參數。 隨著智能流量儀表的不斷普及， 不斷優化人機界面的設計也成為各個智能儀表生產廠家關注的發展方向。 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的可靠性， 本文提出了基于實施嵌入式操作系統 μC／OS－III 的設計方法，優化了人機界面的交互。
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的微機化電子儀器，它是由傳統的電子儀器發展而來的，但在結構和內涵上已經發生了本質的變化。 回顧電子儀器的發展歷程，從儀器的工作原理來看， 是從模擬式電子儀器階段發展到數字式電子儀器階段，再發展到智能型儀器階段。 智能流量儀表具有以下特點：
1 ）自動化程度高。 智能流量儀表采用了微控制器為控制核心，具備良好的可編程能力，可以輕松完成數據自動采集、過程自動控制、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了提高。
2 ）接口豐富。 JKM-LDE電磁流量計往往都具備強大的系統功能接口，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、人機接口和通訊接口等。
3 ）具備通訊能力。JKM-LDE電磁流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。 芯片功能越來越強，少數的幾個芯片就可以實現強大的功能。
5 ）人機界面信息的交互更加實時，通過各種信息的反饋及時提醒用戶在測量過程中出現的異常情況以保證參量參數的可靠性。
2 基于 μC／OS－III 在人機界面的應用
2．1 嵌入式實時操作系統
嵌入式系統，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系統。 然而，隨著科技的不斷發展，單純的前、后臺程序開發機制已經不再能滿足越來越復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作系統（ RTOS ， RealTime Operating System ）進行實時多任務程序的開發。 μC／OS－III 是基于 μC－OS 發展起來的， 它是美國嵌入式系統專家 Jean J Labrosse 用 C 語言編寫的一個搶占式的多任務實時內核，其*大的特點是結構小巧。 μC／OS－III 是一個可擴展的，可固化的，搶占式的實時內核，它管理的任務個數不受限制。 它是*三代內核，提供了現代實時內核所期望的所有功能包括資源管理、同步、內部任務交流等。 μC／OS－III 也提供了很多特性是在其他實時內核中所沒有的。 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，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，都被賦予了一定的優先級， 當讓也可以多個任務共一個優先級， 且有獨自的一套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，并且處于五種狀態之一。 這五種狀態分別是：睡眠態、就緒態、運行態、等待態以及中斷服務態。 睡眠態是指任務只是以代碼的形式存在于程序空間， 并未交給操作系統進行管理； 就緒態是指系統為任務配備了任務控制塊且在任務就緒表中進行了就緒登記，使任務具備了運行的充分條件；運行態是指處于就緒態的任務如果經調度器判斷獲得了 CPU 的使用權時的狀態；等待態則是正在運行的任務，需要等待一段時間或需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斷申請就會中止運行而去執行中斷服務程序。這五種狀態在系統管理下的轉換關系由圖 2 所示。
2．2 人機界面應用實例
人機界面（ Human Machine Interaction ，簡稱 HMI ），又稱用戶界面或使用者界面，是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，是計算機系統的重要組成部分。 在智能流量儀表的應用中，界面不僅顯示測量的流量數據和各種報警信息，還能通過界面參數的設定改變測量有關的參數。 它主要包括鍵盤和LCD 顯示。
下面以電磁流量計為例說明基于 μC／OS－III 的人機界面設計。 先將 μC／OS－III 移植到 Cortex－M3 處理器上，這里選用的是 STM32F103VET6 。電磁流量計的應用程序若按照上節的任務種類劃分有： 數據采集任務、數據處理任務， 4～20mA輸出任務， Hart 通訊任務以及用戶交互任務。 先對不同的任務進行優先級的劃分，如表 1 所示。
在多任務操作系統中，任務之間常常需要通過傳遞一個數據的方式來進行通訊。 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據的緩沖區。如果把這個緩沖區叫做消息緩沖區，那么在任務間傳遞數據的一個*簡單的方法就是傳遞消息緩沖區的指針。 因此，這種用來傳遞消息緩沖區指針的數據結構就稱為消息郵箱。相對于 μC／OS－II ， μC／OS－III 有內在性能測試，它允許用戶測得系統的*長關中斷時間，也就是提供了一些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*長禁止調度時間基礎上，可以測得系統禁止任務調度的*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級的響應時間。 這樣便于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
本文基于現代智能流量儀表的特點提出了基于 μC／OS－III的智能流量儀表人機界面設計， 將 μC／OS－III 移植到 Cortex－M3 處理器之后能有效地優化程序，實現人機界面更加實時便捷的交互， 不僅能保證測量的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沖突。
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