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嵌入式系统中的实时操作系统设计与实现第一章概述嵌入式系统是指集成了计算机技术和各种感应器、执行器、显示器等硬件设备，并且用于特定应用的系统。
实时操作系统（Real-Time Operating System，RTOS）是在嵌入式系统中应用广泛的操作系统，它为嵌入式系统的实时性提供了保障。
本文从实时操作系统的角度出发，介绍了嵌入式系统中实时操作系统设计与实现的相关内容。
第二章实时操作系统基本概念实时操作系统是指在特定的实时应用场景下工作的都操作系统，它对系统的实时性具有关键作用。
在嵌入式系统中，实时操作系统主要包括如下几个方面的内容：1.任务调度：实时操作系统需要定义一种任务调度机制，能够在不同多个任务之间进行快速切换，并保持系统的稳定性和可靠性。
2.时钟管理：实时操作系统需要有一个准确的时钟管理机制，以保证任务之间及时地进行切换，并保证系统的实时性。
3.内存管理：实时操作系统需要对嵌入式系统中的内存进行管理，以保证系统的稳定性和安全性。
4.异常处理：实时操作系统需要有相应的异常处理机制，能够及时地处理嵌入式系统中的异常事件，以保证系统的安全性。
第三章常见的实时操作系统常见的实时操作系统包括FreeRTOS、uc/OS、VxWorks、QNX 等。
它们各自有不同的特点和应用场景：1.FreeRTOS：FreeRTOS是一个免费的实时操作系统，它非常适合对资源和存储空间有限的嵌入式系统。
它的特点是内核简单、代码清晰易懂、具有较好的可移植性和广泛的硬件支持。
2.uC/OS：uC/OS是一款商业性质的实时操作系统，它在实时控制和系统红外方面具有很高的可靠性和实时性，但是使用较难。
3.VxWorks：VxWorks是一款高性能的实时操作系统，它具有强大的开发工具和庞大的用户基础。
它可以应用于工控、航天、军事和网络等领域，但是价格较高。
4.QNX：QNX是一个可靠性高、开发周期短的实时操作系统。
它的特点是稳定、实时性强、安全性高和可维护性好。
实时嵌入式系统的软件开发及调试技术研究嵌入式系统是一种特殊类型的计算机系统，它被设计用于控制、监测和操作其他设备或系统。
实时嵌入式系统则是在特定的时间限制内对输入信号作出实时响应的嵌入式系统。
在现代社会中，实时嵌入式系统广泛应用于航空航天、汽车、医疗设备、智能家居等领域。
实时嵌入式系统的软件开发及调试技术是确保嵌入式系统能够以高效稳定的方式运行的关键所在。
本文将探讨实时嵌入式系统的软件开发流程、常用的开发工具和调试技术，以及一些实践经验。
在实时嵌入式系统的软件开发中，首先需要明确系统的需求和功能。
根据需求和功能，我们可以选择合适的开发平台和开发语言。
常见的开发平台包括ARM，Freescale，TI等，而常用的开发语言包括C、C++和嵌入式C等。
选择适合的开发平台和开发语言对于实时嵌入式系统的软件开发至关重要，因为它们直接影响着系统的性能和可靠性。
在开发过程中，逐步构建系统的基本框架是一个常用的方法。
在系统的基本框架中，我们可以定义系统的任务和各个任务之间的优先级关系。
同时，我们还需要设计合适的任务调度算法来保证任务之间的正确执行和实时性。
常用的任务调度算法有轮流法、优先级法、最早截止时间法等。
除了任务调度算法，中断服务程序也是实时嵌入式系统中重要的一部分。
中断服务程序用于响应外部事件和实时操作，如传感器输入、通信数据传输等。
中断服务程序需要尽可能地快速且可靠地完成任务，以确保系统能及时响应输入信号。
因此，编写高效的中断服务程序是实时嵌入式系统软件开发的关键之一。
在调试实时嵌入式系统时，由于实时要求和硬件嵌入的特殊性，常规调试方法无法满足需求。
因此，我们需要借助一些特殊的调试技术来帮助我们快速定位和修复问题。
首先，我们可以使用远程调试技术对实时嵌入式系统进行调试。
远程调试技术可以让我们通过网络连接到目标系统，并在开发主机上进行调试。
这种调试方式可以减少开发人员的出行成本，并加快调试速度。
其次，硬件调试技术也是实时嵌入式系统调试的重要手段之一。
嵌入式实时操作系统的设计与开发随着科技的不断发展，嵌入式系统在很多领域得到了广泛的应用，例如智能家居、物联网、智能医疗等。
嵌入式系统是一种专门为特定应用领域设计的计算机系统，具有高效、稳定、耐用等特点。
而实时操作系统是嵌入式系统的重要组成部分，它能够确保系统在实时性、可靠性、安全性等方面具有高水平的性能。
因此，嵌入式实时操作系统的设计与开发是嵌入式系统开发中的重要环节。
一、嵌入式实时操作系统的基本概念实时操作系统是指能够在规定的时间内响应某个事件的操作系统。
在一个实时系统中，时间是非常宝贵的资源，系统必须在预定时间内完成所需的操作，才能保证系统的可靠性和安全性。
嵌入式实时操作系统是一种应用于嵌入式系统中的实时操作系统，它有着更高的实时性和可靠性，可以为嵌入式系统提供更好的性能和稳定性。
在嵌入式实时操作系统中，任务的优先级和时间限制是非常重要的。
每个任务都有各自的时间限制和执行优先级，系统必须保证任务不会发生竞争或死锁，以免影响系统的正常运行。
而在一些高要求的场景中，例如商业飞机、炮火定位等领域，实时性是首要的，对于一些时间非常敏感的应用，响应时间和执行速度必须能够达到毫秒或者微秒级别。
二、嵌入式实时操作系统的特点嵌入式实时操作系统与其他操作系统相比有着许多独特的特点。
1.轻量级嵌入式实时操作系统必须是轻量级的，在保证实时性和可靠性的前提下，尽可能减少系统的资源占用和功耗。
由于嵌入式设备通常的资源比较有限，因此轻量级的操作系统在这种情况下显得尤为重要。
2.快速响应嵌入式实时操作系统必须能够快速响应各种事件，在规定的时间内完成任务。
在这种现实的场景中，延迟和响应速度的问题在业务上是不能被容忍的。
3.优先级调度嵌入式实时操作系统中，每个任务都有自己的优先级和时间限制，系统必须按照优先级轮询任务，及时分配资源。
优先级调度是嵌入式实时操作系统中最核心的功能之一，也是实时性和可靠性的重要保证。
三、嵌入式实时操作系统的设计和开发环节非常关键，关系到整个系统的性能和可靠性。
嵌入式实时操作系统的设计与开发研究一、引言在嵌入式系统中，实时性是非常重要的。
因此，嵌入式实时操作系统也是非常重要的组成部分。
它不仅能提高系统的性能，而且还能自动化任务，减轻系统的负担。
本文将探讨嵌入式实时操作系统的设计和开发研究，包括实时能力、内核架构、调度算法以及实时应用等方面。
二、实时能力实时操作系统（RTOS）的关键特性是实时能力。
实时性可以分为硬实时和软实时。
硬实时要求系统在严格的时间限制内完成任务，如果完成时间超时，就会产生严重的后果，如系统崩溃或者无法正常运行。
软实时则允许一定的延迟，但是也必须保证任务在预定的时间内完成。
实时能力的关键是任务调度算法。
一般来说，任务调度算法有三种：循环调度、抢占式调度和协作式调度。
循环调度适用于无优先级的任务，并且每个任务都完成相同的数量。
抢占式调度允许更高优先级任务中断正在执行的低优先级任务。
协作式调度则需要任务自行交出CPU的使用权。
不同的调度算法适合不同的应用场景。
三、内核架构RTOS内核架构有两种：微内核和宏内核。
微内核只有最基本的功能，其余功能都在用户空间实现，这样能够让系统更灵活、更可靠，但是会降低系统性能。
宏内核则包含多个依赖性模块，同时提供多种服务，并且这些服务都是直接运行在内核空间。
这种架构运行速度相比微内核较快，但是可靠性和灵活性较差，但是总体上效率很高。
四、调度算法调度算法是实时功率系统有序运行的核心。
在微处理器架构上，调度算法的基础决定实时调度的稳定性和效率。
一般来说，调度算法是解决实时嵌入式系统任务调度管理中的核心问题，需要综合考虑多种因素。
最常用的调度算法有：最短作业优先、先来先服务、优先级策略、时间轮回和轮行式多级反馈队列调度算法。
确定调度算法时应该综合考虑多个因素，包括时间延迟、任务时限和任务优先级等等。
五、实时应用实时应用需要有无疑的实时响应性和稳定性。
比如说，飞行系统和工厂控制系统都需要稳定和即时的响应性。
实时应用的成功需要综合考虑CPU、专用硬件、操作系统和任务调度等多个方面要素。
嵌入式系统的实时操作和嵌入式软件开发嵌入式系统是一种以特定任务为目标，嵌入到特定设备中的计算机系统。
它通常用于控制和监视设备的运行，如汽车电子、自动化控制、医疗设备、智能家居等。
嵌入式系统的实时操作是其最重要的特性之一，而嵌入式软件开发则是实现这一特性的关键。
实时操作是指嵌入式系统必须在规定的时间内对精确的数据进行响应，并做出适当的控制或决策。
这需要嵌入式系统具有高可靠性和强大的实时性能。
实时性能包括任务调度、中断处理、时钟管理等方面。
任务调度是指在不同的时刻，系统能够正确地调度各种任务，保证各个任务的执行。
中断处理是指当系统需要响应外部事件时，能够正确地处理中断事件，并保证后续的任务继续执行。
时钟管理是指系统能够准确地计时，并调度任务按时执行。
嵌入式软件开发是实现嵌入式系统实时操作的基础。
嵌入式软件开发通常包括软件设计、编码、测试和维护等环节。
软件设计是根据系统的要求，将硬件和软件结合在一起，形成一个嵌入式软件系统。
编码是将设计好的软件系统转化为可执行的程序。
测试是保证软件系统满足规定要求的过程。
维护是在软件系统实施过程中，对软件进行修补和更新，保持软件系统的高可靠性和强大的实时性能。
在嵌入式软件开发过程中，有很多要注意的点和技巧。
首先，要选择适当的开发语言和工具。
常用的开发语言包括C/C++、Java、Python等。
选择适当的工具可以提高开发效率和软件质量。
其次，要遵循嵌入式软件开发规范。
嵌入式软件开发规范包括代码规范、软件架构规范、文档规范等。
遵循这些规范，可以提高软件的可维护性和可扩展性。
最后，要注重软件测试和调试。
测试可以有效地保证软件满足规定的要求，调试可以解决软件在实施过程中出现的问题。
总之，嵌入式系统的实时操作和嵌入式软件开发是嵌入式系统设计的核心。
实现嵌入式系统实时操作需要有强大的实时性能和高可靠性。
嵌入式软件开发要注意选择适当的开发语言和工具，遵循开发规范并注重软件测试和调试。
嵌入式实时操作系统的设计与实现嵌入式实时操作系统设计与实现嵌入式系统是指集成了计算机硬件、软件等模块的特定用途系统。
这种系统常常运行在一些非计算机领域例如：移动电话、智能家居、智能车辆、工业自动化等领域。
嵌入式操作系统是嵌入式系统的核心，它负责管理系统中的各个模块和任务，并将它们协调在一起以完成预期的功能。
嵌入式实时操作系统（RTOS）是一种专门用于嵌入式系统的实时操作系统，其最主要的特点就是能够保证各个任务在规定的时间内完成，同时能够确保任务调度的优先级和时序。
在本文中，我们将探讨嵌入式实时操作系统的设计与实现过程。
1. 嵌入式RTOS系统的特点嵌入式实时操作系统具有以下几个主要特点：（1）实时性：嵌入式实时操作系统需要实时响应事件或者任务的处理，必须在给定时间内完成计算和处理。
不仅需要提供精确的时间管理和任务调度，还需要保证任务的优先级和响应时间。
（2）小型化：嵌入式系统往往需要控制成本，因此嵌入式RTOS必须尽可能地缩小内存占用和代码体积，以便在受限的资源条件下运行。
（3）可裁剪性：嵌入式实时操作系统需要支持各种应用需求，能够适应各种系统处理需求的优化，同时还要满足稳定性、可靠性等要求。
（4）高性能：嵌入式操作系统必须具有高性能，短的任务响应时间和快速的任务切换，能够保证系统实时性。
2. 嵌入式RTOS的体系结构嵌入式RTOS通常具有以下几个主要的组件：（1）任务管理器：任务管理器是嵌入式RTOS最核心的模块，它负责任务的创建、启动、挂起和恢复操作，以及任务的优先级和时间片调度。
（2）中断服务程序（ISR）处理程序：中断服务程序指在操作系统内部定义的用于响应中断事件的代码，它负责控制中断的优先级和响应时间，保证中断事件得到及时处理。
（3）内存管理器：内存管理器主要负责分配和回收内存资源，以保障嵌入式系统的内存使用效率。
（4）时钟管理器：时钟管理器负责时钟的管理，包括时钟的初始化、同步、校准和时间戳的管理等。
嵌入式系统的实时操作和嵌入式软件开发嵌入式系统的实时操作和嵌入式软件开发是嵌入式系统设计和开发中非常重要的两个方面。
实时操作系统（RTOS）和嵌入式软件开发技术可以有效地提高嵌入式系统的性能、可靠性和可维护性。
本文将详细介绍实时操作系统和嵌入式软件开发的概念、特点和应用。
一、实时操作系统（RTOS）实时操作系统是一种专门用于处理实时任务的操作系统。
实时任务是指具有时间限制和严格的响应要求的任务。
实时操作系统通过提供任务调度、中断处理和通信机制等功能，来满足实时任务的要求。
实时操作系统有两种类型：硬实时操作系统和软实时操作系统。
硬实时操作系统要求任务必须在特定的时间限制内完成，否则会导致系统故障。
软实时操作系统对任务的时间要求没有硬性的限制，但任务在规定的时间内完成可以提高系统的可靠性和性能。
实时操作系统的特点包括：1.快速响应：实时操作系统能够迅速地响应任务的请求，并且能够按照任务的优先级进行任务调度。
2.可预测性：实时操作系统可以根据任务的优先级和时间要求进行任务调度，从而保证任务的响应时间可预测。
3.稳定性：实时操作系统具有强大的任务调度和资源管理机制，可以保证系统的稳定性和可靠性。
4.可扩展性：实时操作系统可以根据系统需求进行灵活的配置和扩展，从而满足不同应用的需求。
实时操作系统的应用非常广泛，包括航空航天、汽车、医疗设备、工业自动化等领域。
例如，在航空航天领域，实时操作系统可以用于飞控系统和导航系统，保证飞行器的安全和可靠性。
嵌入式软件开发是指开发嵌入式系统所使用的软件。
嵌入式系统的软件开发包括嵌入式系统的设计、编码、调试和测试等过程。
嵌入式软件开发的特点包括：1.硬件依赖性：嵌入式软件开发需要充分理解嵌入式系统的硬件架构和特点，以保证软件能够与硬件正常交互。
2.资源受限性：嵌入式系统的资源包括处理器、内存和外设等，嵌入式软件在开发过程中需要充分考虑资源的限制，以优化软件的性能和可靠性。
嵌入式系统中的实时操作系统开发及应用在嵌入式系统领域，实时操作系统（RTOS）具有重要的应用价值。
实时操作系统被广泛应用于各个行业，如航空航天、汽车、医疗设备和工业控制等领域。
本文将介绍实时操作系统在嵌入式系统中的开发和应用。
一、实时操作系统概述实时操作系统是一种能够在特定时间要求下保证任务响应的操作系统。
它可以满足任务在特定截止时间之前完成的要求，并能够处理各种实时应用所产生的事件和中断。
实时操作系统按照任务的特性可以分为硬实时操作系统和软实时操作系统。
一个任务在硬实时操作系统中必须在截止时间之前完成，否则系统将产生严重错误。
而在软实时系统中，对于任务截止时间的限制相对较宽松，任务的完成具有一定的容忍度。
实时操作系统需满足以下几个关键特性：1. 及时响应和任务调度能力：实时操作系统需要能够及时响应任务请求并按照优先级合理调度任务的执行顺序。
2. 完整的任务状态管理：实时操作系统需要能够跟踪和管理任务的状态，包括就绪状态、执行状态和等待状态等。
3. 中断处理能力：实时操作系统需要能够处理各种中断事件，包括外部设备的中断、定时器中断等。
二、实时操作系统开发实时操作系统的开发通常需要根据具体应用的需求进行定制开发，下面介绍实时操作系统的开发步骤。
1. 确定系统需求：在进行实时操作系统的开发之前，需要对系统的需求进行详细分析和规划。
包括任务的优先级、任务之间的依赖关系、中断事件的处理要求等。
2. 内核开发：实时操作系统的核心部分是内核，它负责任务的调度和管理。
内核的开发涉及到任务调度算法、任务状态管理、中断处理等方面。
开发者可以选择现有的开源实时操作系统内核进行二次开发，也可以从零开始自主开发。
3. 驱动程序开发：实时操作系统通常需要与硬件设备进行交互。
开发者需要编写相应的驱动程序，以实现与硬件设备的通信和控制。
4. 应用程序开发：根据系统需求，开发相应的应用程序。
应用程序应该能够响应任务的调度、处理中断事件和与外部设备进行交互等。
嵌入式计算机中的实时操作系统的设计与实现嵌入式计算机的应用范围越来越广泛，涵盖了许多领域，如工业控制、汽车、医疗、航空航天、电子设备等等。
由于嵌入式计算机系统使用者大多数是非计算机专业人员，所以嵌入式计算机需要运行实时操作系统（RTOS），以确保系统可靠性、稳定性和性能。
实时操作系统是一种专门为嵌入式设备设计的操作系统，具有快速响应时间和低资源占用的特点。
实时操作系统的设计和实现是嵌入式开发中的关键问题之一。
一、实时操作系统的特点实时操作系统是为了处理实时任务设计的，其最主要的特点就是满足实时性需求和可预测性需求。
实时操作系统根据任务执行的紧迫程度进行任务调度，以确保实时性。
另外，实时操作系统还需要满足低延迟和高可靠性的要求，以确保实时任务的正确性和可靠性。
实时操作系统还需要具有低开销和低功耗的特点。
由于嵌入式设备的资源有限，实时操作系统需要尽可能地节约系统资源，以保证系统的高效性。
此外，实时操作系统还需要支持多任务，并且在多任务环境下，需要处理任务的优先级和竞争条件等问题。
二、实时操作系统的设计与实现实时操作系统的设计和实现具有一定的复杂性。
一般而言，实时操作系统的设计全过程分为以下几个阶段：1.需求分析阶段，需要明确实时系统的需求和技术要求。
在这个阶段，需要考虑实时操作系统的特点，包括实时性、可预测性、低延迟、低功耗等等。
2.架构设计阶段，需要确定系统的架构和组件。
在这个阶段，需要确定系统的内核、指令集、驱动程序接口等。
3.实现阶段，需要根据设计阶段的结果实现实时操作系统的功能。
在这个阶段，需要使用C/C++等语言进行编程，开发中需要考虑到效率和可移植性等问题。
4.测试阶段，需要测试实时操作系统的可靠性和性能。
在这个阶段，需要使用各类工具进行测试，包括静态代码检测、动态测试、性能测试等。
5.部署阶段，需要将实现好的实时操作系统部署到目标设备中。
在这个阶段，需要进行系统配置、设备驱动程序开发、系统集成等工作。
嵌入式系统中的实时操作系统设计与开发技术研究实时操作系统（RTOS）在嵌入式系统中扮演着重要的角色。
随着技术的不断发展，实时操作系统的设计与开发技术也在不断进步，以满足日益复杂的应用需求。
本文将对嵌入式系统中实时操作系统的设计与开发技术进行研究，并探讨其中的关键要点。
一、嵌入式系统与实时操作系统的概述嵌入式系统是指嵌入在电子设备或机械系统中，用于执行特定功能的计算机系统。
它通常具有功耗低、体积小、成本低等特点。
实时操作系统是一种能够保证任务在规定的时间内执行的操作系统。
在嵌入式系统中，实时操作系统起着管理、调度和控制任务的重要作用。
二、实时操作系统的设计原则实时操作系统的设计需要考虑多方面的因素，如任务调度、响应时间、资源管理等。
以下是实时操作系统设计的几个重要原则：1. 响应时间：实时操作系统要能够在规定的时间内响应任务的请求。
为了提高响应速度，可以采用中断响应、优先级调度等技术。
2. 可预测性：嵌入式系统通常对任务的响应时间要求非常高，需要能够预测任务的执行时间。
通过任务划分、优先级设置等手段，可以提高系统的可预测性。
3. 资源管理：实时操作系统需要合理管理系统资源，如处理器时间、存储空间等。
采用任务调度算法和内存管理策略可以有效地管理资源。
4. 可靠性：实时操作系统在嵌入式系统中承担着关键任务，需要具备高可靠性。
通过备份、错误检测和恢复等机制，可以提高系统的可靠性。
三、实时操作系统的开发技术实时操作系统的开发需要利用一定的技术手段来实现。
以下是几种常用的开发技术：1. 任务调度：实时操作系统需要对任务进行调度，以保证任务按时执行。
常见的任务调度算法有优先级调度、轮转调度和最短作业优先调度等。
2. 中断处理：实时操作系统中的中断处理非常重要，能够在特定事件发生时立即响应。
中断处理需要考虑中断响应时间和中断处理程序的设计。
3. 内存管理：嵌入式系统中内存资源有限，因此需要合理地管理内存。
采用分页、分段和内存回收等技术，可以有效地管理内存。
第27卷第6期杭州电子科技大学学报Vol.27,No.6 2007年12月Jo urnal of Ha ngzhou Dianzi Uni versi ty Dec.2007基于实时嵌入式操作系统的测功机系统的开发吴新华,曾 虹,张 翔(杭州电子科技大学计算机应用技术研究所,浙江杭州310018)收稿日期:2007-06-18基金项目:浙江省科技厅重点项目(D50001)作者简介:吴新华(1975-),男,江西莲花人,在读研究生,计算机应用.摘要:基于实时嵌入式操作系统 CLINUX 结合CYPRESS 公司最新的8位微控制器设计开发了测功机数字控制系统。
采用了较为先进的计算机测控技术,以软件方法代替以往需要复杂硬件电路才能实现的功能,能够对测功机的各项参数的实时检测。
介绍了该系统的硬件总体结构设计,以及实时多任务软件程序设计。
关键词:测功机;数据采集;单片机;信号处理中图分类号:TP274+.2 文献标识码:A 文章编号:1001-9146(2007)06-0059-050 引 言测功机是用于测量各种动力机械的测试设备[1],通过对电压、电流、转矩、转速、功率因数和传输效率等的测量与计算,检测动力机械性能的各项指标。
在国外,各行业已经基本实现了对测功机的自动控制,并取得了良好的经济效益[2]。
国内起步较晚,但近年来也在测功机的智能控制方面取得了不少成绩。
传统的模拟控制器在实时性、可扩展性、人机交互和智能化等方面存在局限性,较难保证系统的可靠运行,不能很好满足工业自动化控制不断发展的要求。
集微处理器技术、智能控制于一体的数字控制器在工业控制领域已成为发展主流。
本文主要介绍了基于实时嵌入式操作系统结合PSOC 单片机的测功机系统软硬件体系结构的设计开发。
1 系统简介1.1 原理介绍测功机是根据作用力与反作用力平衡原理设计的。
当被测电机带着测功机的转子一起旋转时,会给测功机加入直流励磁电压,测功机转子旋转且切割磁力线产生电枢电流,电枢电流和磁通相互作用产生制动扭矩,同时测功机定子受到一个相反方向的扭矩作用,在测功机传感器轴上产生压应力,将电阻应变片粘贴在传感器轴产生最大压应力的方向上,再将应变片接入一定的桥式电路,就能将压应力的变化转化为电压信号,从而测量出扭矩的大小。
电机转速的测量使用光电式转速传感器。
在电机轴上装一个边缘有N 个均匀分布锯齿的圆盘,使光线投射到光敏管上。
当电机转动一周,就得到N 个脉冲信号,测量脉冲信号的频率或周期,就可得到电机的转速。
利用单片机和光电式传感器相配合,使得电机转速的测量简便、抗干扰能力强。
1.2 系统模块划分测功机系统根据不同分工可以划分为3个模块,分别是上位机数据处理模块、USB 数据通信模块和下位机数据采集模块,如图1所示。
上位机负责人机交互,根据用户命令以执行相应的操作,并对下位机采集得到的数据进行分析、处理、显示;USB 模块负责上位机和下位机的数据交换;下位机数据采集模块负责对被测对象进行信号调理和模数转换,并将采集好的数据通过USB接口上传到上位机。
图1 测功机系统的层次结构2 系统的硬件设计2.1 上位机硬件体系结构上位机采用ARM9+ C Linux 模式[3],32位ARM 嵌入式处理器具有高性能、低功耗的特性,已被广泛应用于消费电子产品、无线通信和网络通信等领域。
C Linux 是专门为无内存管理单元的处理器设计的嵌入式操作系统,支持ARM 、Motorola 等微处理器。
本系统上位机模块采用了ARM9系列嵌入式CPU 芯片S3C2440A,主频为400MHz,它带有64MB NandFlash 、64MB SDRAM 等主要芯片和一些外围扩展电器,两个USB HOST 接口,上位机正是通过USB 接口和下位机进行通迅(数据采集和程序控制等)。
上位机硬件组成如图2所示。
图2 上位机硬件框图2.2 下位机硬件体系结构下位机硬件以C Y8C24794处理器芯片为核心。
C Y8C24794使用了强大的4MIPS 的8位哈佛结构的微处理器内核,处理器的主频高达24MHz,同时片上还集成了许多标准模块,包括兼容USB2.0的USB 通信模块、异步串行通信模块UAR T 、8~32位定时器、14位A/D 转换模块和9位D/A 转换模块、脉宽调制模块;片内拥有16kB 的FLASH 、1kB 的SRAM 。
这些片上资源为测功机的下位机的开发提供了方便条件。
下位机硬件组成与上位机模块如图3所示。
(1)模拟信号调理模块主要用来调理测功机扭矩和电压、电流信号。
传感器是数据采样的最基本元件,能对扭矩、电压、电流等不同参数进行采取;但传感器产生的信号一般比较微弱,不能直接进行采60 杭州电子科技大学学报 2007年图3 下位机硬件框图集,必须经过放大器放大。
放大器将信号放大降低了测量过程中干扰信号的影响误差,同时提高了信号的精度。
输入模拟信号经过模拟信号调理模块调理、滤波,后,转换为0~5V 电压信号,然后进入其它模块单元。
(2)多路转换开关将不同信号根据测量要求输入,使各路信号共用一组A/D 转换器、采样保持器等,这样可以大大地节约成本。
C Y8C24794上的A/D 模块为10位,相对测功机控制器其精度不够,所以系统改用外接12位A/D 芯片AD9220AR 提高系统的测量精度。
模拟信号进行A/D 转换时,需要一定的转换时间,在这个转换时间内,模拟信号要保持基本不变,才能保证转换精度,采样保持器就可完成该功能。
(3)数字信号调理模块主要用来调理电机转速信号、开关量输入/输出信号。
数字量的输入是通过数字信号调理模块进行整形、隔离和放大,转换为TTL 电平的标准信号。
数字量输出是用来控制测功机的起停、电流加载等和多路转换开关。
(4)USB 通讯模块是下位机和上位机的数据交互接口,可使系统实时准确响应外部操作。
电流加载模块可实现对所测电机的电流加载、限载等操作,实现对电机的保护。
3 系统的软件设计测功机系统是一个多输入、多输出的测控系统[4],控制方式复杂,实时性要求较高。
同时系统还包含了通讯、输出、输入响应等其它人机交互任务。
为更好地协调系统各个方面,同时又能满足控制系统对实时性的要求,系统软件采用了基于 CLI NUX 的嵌入式设计开发。
3.1 CLI NUX 实时嵌入式操作系统C Linux 是针对 微控制领域而设计的Linux 系统 。
一方面继承了Linux 的大部分优点:例如稳定性,各种网络协议栈和不同类型的文件系统的支持等等;另一方面,它广泛地应用于嵌入式领域,内核精简(一般小于512k),并支持ARM 、Motorola 等微处理器。
与标准Linux 操作系统相比, C Linux 最大的区别就在于内存管理,这使得它更适用于嵌入式领域,因为当发生页面失效时,从磁盘加载进程的页面到内存中,会消耗过多的处理器资源,容易给系统带来不稳定的因素。
3.2 系统任务分析及软件设计测功机系统设计目的是要求不仅要对外界参数进行实时测量,在一定的时间内完成数据的采集和61第6期 吴新华等:基于实时嵌入式操作系统的测功机系统的开发处理,而且必须对相应的转速、功率、扭矩、电压、电流进行实时控制。
所以系统主要有3个任务:通过USB 发送电流加载任务、数据采集任务、数据分析并输出任务。
系统主流程如图4所示。
图4 系统主流程图整个软件开发过程中,将软件分为以下5大模块:(1)参数设置模块:用户可以选择观察不同的数据曲数(如转速和输入功率等),设置不同的参数量程,系统根据参数量程自动进行测试;(2)控制功能模块:用户根据需求选择扫描测控或定点测控。
可实现扭矩控制、转速控制、功率控制、电机起停控制、定时功能等;(3)监控功能模块:用户根据不同特性的电机设置其加载电流上限和转速下限,可以对电机的电流、电压、转速及载荷进行实时控制,当电流或电压不正常时系统可以自动调整,实现对电机过流、过压、过载、限速保护;(4)数据采集与处理模块:上位机首先根据用户需求完成各种设置后,通过USB 模块发送命令给下位机;然后下位机接收解析和执行来自上位机的命令,并将采集好数据实时传输给上位机,最后上位机处理所采集的数据;(5)输出显示模块:在液晶屏上显示所测的参数值,包括电机的转速特性曲线、工作状况、输入和输出功率等,并可以将所需的数据打印出来。
显示电机当前工作状态,包括电机运行状态、加载电流指示、扭矩、转速等各种参数。
系统通过主程序调用不同的子程序将不同的模块连接在一起,组成一个完整的测功机系统。
软件设计基于MiniGUI 开发环境,界面如图5所示。
图5 测功机系统界面62 杭州电子科技大学学报 2007年4 结 论应用基于 C LINUX 实时嵌入式操作系统的测功机数字控制器[5]的开发平台,结合了PSOC 最新的8位微控制器,可使仪器结构紧凑紧固,提高了系统的可靠性。
基于实时多任务操作系统进行程序编写,使软件方便调试、维护及升级,提高了系统的可扩展性。
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