液體管道流量計的概述與在人機(jī)界面的應(yīng)用
點(diǎn)擊次數(shù)：2520 發(fā)布時間：2021-01-02 05:48:05
摘要：*先著手于智能流量儀表的發(fā)展，介紹其發(fā)展的特點(diǎn)，隨著智能流量儀表功能的多樣化，單純的前、后臺程序開發(fā)機(jī)制已經(jīng)不能滿足越來越復(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)時操作系統(tǒng)， 針對不同操作系統(tǒng)的特性*后提出了基于 μC／OS－III 的智能流量儀表的人機(jī)界面設(shè)計的方法，并且就 μC／OS－III 在液體管道流量計人機(jī)界面的應(yīng)用中進(jìn)行舉例說明。
在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常需要對生產(chǎn)過程中各種流動介質(zhì)（如液體、氣體和蒸汽、固體粉末）的流量進(jìn)行檢測，以便有效地控制生產(chǎn)過程和了解更多有關(guān)生產(chǎn)的參數(shù)。 隨著智能流量儀表的不斷普及， 不斷優(yōu)化人機(jī)界面的設(shè)計也成為各個智能儀表生產(chǎn)廠家關(guān)注的發(fā)展方向。 為了提高智能流量儀表測量、處理數(shù)據(jù)的實(shí)時性和人機(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)計方法，優(yōu)化了人機(jī)界面的交互。
1 智能流量儀表概述
液體管道流量計是一類新型的、 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。 智能流量儀表具有以下特點(diǎn)：
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(shù)據(jù)自動采集、過程自動控制、故障自動診斷、數(shù)據(jù)自動處理等功能。 這不僅提高了工作效率，節(jié)省了勞動力，而且使自動化程度得到了提高。
2 ）接口豐富。 液體管道流量計往往都具備強(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。 芯片功能越來越強(qiáng)，少數(shù)的幾個芯片就可以實(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，通過各種信息的反饋及時提醒用戶在測量過程中出現(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)起來的計算機(jī)系統(tǒng)。 然而，隨著科技的不斷發(fā)展，單純的前、后臺程序開發(fā)機(jī)制已經(jīng)不再能滿足越來越復(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)時操作系統(tǒng)（ RTOS ， RealTime Operating System ）進(jìn)行實(shí)時多任務(wù)程序的開發(fā)。 μC／OS－III 是基于 μC－OS 發(fā)展起來的， 它是美國嵌入式系統(tǒng)專家 Jean J Labrosse 用 C 語言編寫的一個搶占式的多任務(wù)實(shí)時內(nèi)核，其*大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)小巧。 μC／OS－III 是一個可擴(kuò)展的，可固化的，搶占式的實(shí)時內(nèi)核，它管理的任務(wù)個數(shù)不受限制。 它是*三代內(nèi)核，提供了現(xiàn)代實(shí)時內(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)時內(nèi)核中所沒有的。 比如能在運(yùn)行時測量運(yùn)行性能，直接得發(fā)送信號或消息給任務(wù)，任務(wù)能同時等待多個信號量和消息隊列。 如圖 1 所示實(shí)時應(yīng)用程序的設(shè)計通常包含多個任務(wù)，每個任務(wù)都是整體應(yīng)用的一部分，都被賦予了一定的優(yōu)先級， 當(dāng)讓也可以多個任務(wù)共一個優(yōu)先級， 且有獨(dú)自的一套CPU 寄存器和?？臻g。
μC／OS－III 中的每一個任務(wù)都是無限循環(huán)的 。 每個任務(wù)會有五種狀態(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)，需要等待一段時間或需要等待一個事件發(fā)生再運(yùn)行； 中斷服務(wù)狀態(tài)是指一個正在運(yùn)行的任務(wù)一旦響應(yīng)中斷申請就會中止運(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 ，簡稱 HMI ），又稱用戶界面或使用者界面，是人與計算機(jī)之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，是計算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。 在智能流量儀表的應(yīng)用中，界面不僅顯示測量的流量數(shù)據(jù)和各種報警信息，還能通過界面參數(shù)的設(shè)定改變測量有關(guān)的參數(shù)。 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(jī)界面設(shè)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(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)。 先對不同的任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級的劃分，如表 1 所示。
在多任務(wù)操作系統(tǒng)中，任務(wù)之間常常需要通過傳遞一個數(shù)據(jù)的方式來進(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)建一個存儲空間作為該數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。如果把這個緩沖區(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*簡單的方法就是傳遞消息緩沖區(qū)的指針。 因此，這種用來傳遞消息緩沖區(qū)指針的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就稱為消息郵箱。相對于 μC／OS－II ， μC／OS－III 有內(nèi)在性能測試，它允許用戶測得系統(tǒng)的*長關(guān)中斷時間，也就是提供了一些工具可以測量每個任務(wù)關(guān)中斷的時間；用戶在測得每個任務(wù)的*長禁止調(diào)度時間基礎(chǔ)上，可以測得系統(tǒng)禁止任務(wù)調(diào)度的*長時間，也是說做了個測量；每次發(fā)出的信息都帶有時間戳，用戶也容易得到任務(wù)級的響應(yīng)時間。 這樣便于優(yōu)化各個任務(wù)之間的通信，在保證測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的前提下提高響應(yīng)的時間。
3 結(jié)束語
本文基于現(xiàn)代智能流量儀表的特點(diǎn)提出了基于 μC／OS－III的智能流量儀表人機(jī)界面設(shè)計， 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)時便捷的交互， 不僅能保證測量的可靠性還能實(shí)時對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸避免了多任務(wù)之間的沖突。
在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常需要對生產(chǎn)過程中各種流動介質(zhì)（如液體、氣體和蒸汽、固體粉末）的流量進(jìn)行檢測，以便有效地控制生產(chǎn)過程和了解更多有關(guān)生產(chǎn)的參數(shù)。 隨著智能流量儀表的不斷普及， 不斷優(yōu)化人機(jī)界面的設(shè)計也成為各個智能儀表生產(chǎn)廠家關(guān)注的發(fā)展方向。 為了提高智能流量儀表測量、處理數(shù)據(jù)的實(shí)時性和人機(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)計方法，優(yōu)化了人機(jī)界面的交互。
1 智能流量儀表概述
液體管道流量計是一類新型的、 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。 智能流量儀表具有以下特點(diǎn)：
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(shù)據(jù)自動采集、過程自動控制、故障自動診斷、數(shù)據(jù)自動處理等功能。 這不僅提高了工作效率，節(jié)省了勞動力，而且使自動化程度得到了提高。
2 ）接口豐富。 液體管道流量計往往都具備強(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。 芯片功能越來越強(qiáng)，少數(shù)的幾個芯片就可以實(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，通過各種信息的反饋及時提醒用戶在測量過程中出現(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)起來的計算機(jī)系統(tǒng)。 然而，隨著科技的不斷發(fā)展，單純的前、后臺程序開發(fā)機(jī)制已經(jīng)不再能滿足越來越復(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)時操作系統(tǒng)（ RTOS ， RealTime Operating System ）進(jìn)行實(shí)時多任務(wù)程序的開發(fā)。 μC／OS－III 是基于 μC－OS 發(fā)展起來的， 它是美國嵌入式系統(tǒng)專家 Jean J Labrosse 用 C 語言編寫的一個搶占式的多任務(wù)實(shí)時內(nèi)核，其*大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)小巧。 μC／OS－III 是一個可擴(kuò)展的，可固化的，搶占式的實(shí)時內(nèi)核，它管理的任務(wù)個數(shù)不受限制。 它是*三代內(nèi)核，提供了現(xiàn)代實(shí)時內(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)時內(nèi)核中所沒有的。 比如能在運(yùn)行時測量運(yùn)行性能，直接得發(fā)送信號或消息給任務(wù)，任務(wù)能同時等待多個信號量和消息隊列。 如圖 1 所示實(shí)時應(yīng)用程序的設(shè)計通常包含多個任務(wù)，每個任務(wù)都是整體應(yīng)用的一部分，都被賦予了一定的優(yōu)先級， 當(dāng)讓也可以多個任務(wù)共一個優(yōu)先級， 且有獨(dú)自的一套CPU 寄存器和?？臻g。
μC／OS－III 中的每一個任務(wù)都是無限循環(huán)的 。 每個任務(wù)會有五種狀態(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)，需要等待一段時間或需要等待一個事件發(fā)生再運(yùn)行； 中斷服務(wù)狀態(tài)是指一個正在運(yùn)行的任務(wù)一旦響應(yīng)中斷申請就會中止運(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 ，簡稱 HMI ），又稱用戶界面或使用者界面，是人與計算機(jī)之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，是計算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。 在智能流量儀表的應(yīng)用中，界面不僅顯示測量的流量數(shù)據(jù)和各種報警信息，還能通過界面參數(shù)的設(shè)定改變測量有關(guān)的參數(shù)。 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(jī)界面設(shè)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(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)。 先對不同的任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級的劃分，如表 1 所示。
在多任務(wù)操作系統(tǒng)中，任務(wù)之間常常需要通過傳遞一個數(shù)據(jù)的方式來進(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)建一個存儲空間作為該數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。如果把這個緩沖區(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*簡單的方法就是傳遞消息緩沖區(qū)的指針。 因此，這種用來傳遞消息緩沖區(qū)指針的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就稱為消息郵箱。相對于 μC／OS－II ， μC／OS－III 有內(nèi)在性能測試，它允許用戶測得系統(tǒng)的*長關(guān)中斷時間，也就是提供了一些工具可以測量每個任務(wù)關(guān)中斷的時間；用戶在測得每個任務(wù)的*長禁止調(diào)度時間基礎(chǔ)上，可以測得系統(tǒng)禁止任務(wù)調(diào)度的*長時間，也是說做了個測量；每次發(fā)出的信息都帶有時間戳，用戶也容易得到任務(wù)級的響應(yīng)時間。 這樣便于優(yōu)化各個任務(wù)之間的通信，在保證測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的前提下提高響應(yīng)的時間。
3 結(jié)束語
本文基于現(xiàn)代智能流量儀表的特點(diǎn)提出了基于 μC／OS－III的智能流量儀表人機(jī)界面設(shè)計， 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)時便捷的交互， 不僅能保證測量的可靠性還能實(shí)時對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸避免了多任務(wù)之間的沖突。