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明矾流量计的概述与在人机界面的应用
发布时间：2020-07-19 10:56:12 点击次数：931次
摘要：*先着手于智能流量仪表的发展，介绍其发展的特点，随着智能流量仪表功能的多样化，单纯的前、后台程序开发机制已经不能满足越来越复杂化、多样化的嵌入式应用需求，传统的人机界面也已不适宜用户更加方便快捷的使用，因此应该选择合适的实时操作系统， 针对不同操作系统的特性*后提出了基于 μC／OS－III 的智能流量仪表的人机界面设计的方法，并且就 μC／OS－III 在明矾流量计人机界面的应用中进行举例说明。
在工业生产中，经常需要对生产过程中各种流动介质（如液体、气体和蒸汽、固体粉末）的流量进行检测，以便有效地控制生产过程和了解更多有关生产的参数。 随着智能流量仪表的不断普及， 不断优化人机界面的设计也成为各个智能仪表生产厂家关注的发展方向。 为了提高智能流量仪表测量、处理数据的实时性和人机交互的可靠性， 本文提出了基于实施嵌入式操作系统 μC／OS－III 的设计方法，优化了人机界面的交互。
1 智能流量仪表概述
明矾流量计是一类新型的、 内部装有微处理器或单片机的微机化电子仪器，它是由传统的电子仪器发展而来的，但在结构和内涵上已经发生了本质的变化。 回顾电子仪器的发展历程，从仪器的工作原理来看， 是从模拟式电子仪器阶段发展到数字式电子仪器阶段，再发展到智能型仪器阶段。 智能流量仪表具有以下特点：
1 ）自动化程度高。 智能流量仪表采用了微控制器为控制核心，具备良好的可编程能力，可以轻松完成数据自动采集、过程自动控制、故障自动诊断、数据自动处理等功能。 这不仅提高了工作效率，节省了劳动力，而且使自动化程度得到了提高。
2 ）接口丰富。 明矾流量计往往都具备强大的系统功能接口，且接口种类多、数量多、功能强。 如模拟量输入和输出、开关量输入和输出、人机接口和通讯接口等。
3 ）具备通讯能力。明矾流量计几乎都具备通讯接口，如 RS－232C 接口、 RS485 接口、 USB 接口和以太网接口等， 使得仪表本身能与外界有良好的信息交互。
4 ）多功能化、小型化和高可靠性。随着科技的飞速发展使得微控制器芯片、外围电路芯片等器件集成度逐渐提高。 芯片功能越来越强，少数的几个芯片就可以实现强大的功能。
5 ）人机界面信息的交互更加实时，通过各种信息的反馈及时提醒用户在测量过程中出现的异常情况以保证参量参数的可靠性。
2 基于 μC／OS－III 在人机界面的应用
2．1 嵌入式实时操作系统
嵌入式系统，就是为了实现特定的功能，将硬件和软件连结起来的计算机系统。 然而，随着科技的不断发展，单纯的前、后台程序开发机制已经不再能满足越来越复杂化和多样化的嵌入式应用需求，因而现在常常采用嵌入式实时操作系统（ RTOS ， RealTime Operating System ）进行实时多任务程序的开发。 μC／OS－III 是基于 μC－OS 发展起来的， 它是美国嵌入式系统专家 Jean J Labrosse 用 C 语言编写的一个抢占式的多任务实时内核，其*大的特点是结构小巧。 μC／OS－III 是一个可扩展的，可固化的，抢占式的实时内核，它管理的任务个数不受限制。 它是*三代内核，提供了现代实时内核所期望的所有功能包括资源管理、同步、内部任务交流等。 μC／OS－III 也提供了很多特性是在其他实时内核中所没有的。 比如能在运行时测量运行性能，直接得发送信号或消息给任务，任务能同时等待多个信号量和消息队列。 如图 1 所示实时应用程序的设计通常包含多个任务，每个任务都是整体应用的一部分，都被赋予了一定的优先级， 当让也可以多个任务共一个优先级， 且有独自的一套CPU 寄存器和栈空间。
μC／OS－III 中的每一个任务都是无限循环的 。 每个任务会有五种状态，并且处于五种状态之一。 这五种状态分别是：睡眠态、就绪态、运行态、等待态以及中断服务态。 睡眠态是指任务只是以代码的形式存在于程序空间， 并未交给操作系统进行管理； 就绪态是指系统为任务配备了任务控制块且在任务就绪表中进行了就绪登记，使任务具备了运行的充分条件；运行态是指处于就绪态的任务如果经调度器判断获得了 CPU 的使用权时的状态；等待态则是正在运行的任务，需要等待一段时间或需要等待一个事件发生再运行； 中断服务状态是指一个正在运行的任务一旦响应中断申请就会中止运行而去执行中断服务程序。这五种状态在系统管理下的转换关系由图 2 所示。
2．2 人机界面应用实例
人机界面（ Human Machine Interaction ，简称 HMI ），又称用户界面或使用者界面，是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是计算机系统的重要组成部分。 在智能流量仪表的应用中，界面不仅显示测量的流量数据和各种报警信息，还能通过界面参数的设定改变测量有关的参数。 它主要包括键盘和LCD 显示。
下面以电磁流量计为例说明基于 μC／OS－III 的人机界面设计。 先将 μC／OS－III 移植到 Cortex－M3 处理器上，这里选用的是 STM32F103VET6 。电磁流量计的应用程序若按照上节的任务种类划分有： 数据采集任务、数据处理任务， 4～20mA输出任务， Hart 通讯任务以及用户交互任务。 先对不同的任务进行优先级的划分，如表 1 所示。
在多任务操作系统中，任务之间常常需要通过传递一个数据的方式来进行通讯。 为了适应不同数据的需要，可以在内存中创建一个存储空间作为该数据的缓冲区。如果把这个缓冲区叫做消息缓冲区，那么在任务间传递数据的一个*简单的方法就是传递消息缓冲区的指针。 因此，这种用来传递消息缓冲区指针的数据结构就称为消息邮箱。相对于 μC／OS－II ， μC／OS－III 有内在性能测试，它允许用户测得系统的*长关中断时间，也就是提供了一些工具可以测量每个任务关中断的时间；用户在测得每个任务的*长禁止调度时间基础上，可以测得系统禁止任务调度的*长时间，也是说做了个测量；每次发出的信息都带有时间戳，用户也容易得到任务级的响应时间。 这样便于优化各个任务之间的通信，在保证测量数据准确的前提下提高响应的时间。
3 结束语
本文基于现代智能流量仪表的特点提出了基于 μC／OS－III的智能流量仪表人机界面设计， 将 μC／OS－III 移植到 Cortex－M3 处理器之后能有效地优化程序，实现人机界面更加实时便捷的交互， 不仅能保证测量的可靠性还能实时对测量数据进行传输避免了多任务之间的冲突。
在工业生产中，经常需要对生产过程中各种流动介质（如液体、气体和蒸汽、固体粉末）的流量进行检测，以便有效地控制生产过程和了解更多有关生产的参数。 随着智能流量仪表的不断普及， 不断优化人机界面的设计也成为各个智能仪表生产厂家关注的发展方向。 为了提高智能流量仪表测量、处理数据的实时性和人机交互的可靠性， 本文提出了基于实施嵌入式操作系统 μC／OS－III 的设计方法，优化了人机界面的交互。
1 智能流量仪表概述
明矾流量计是一类新型的、 内部装有微处理器或单片机的微机化电子仪器，它是由传统的电子仪器发展而来的，但在结构和内涵上已经发生了本质的变化。 回顾电子仪器的发展历程，从仪器的工作原理来看， 是从模拟式电子仪器阶段发展到数字式电子仪器阶段，再发展到智能型仪器阶段。 智能流量仪表具有以下特点：
1 ）自动化程度高。 智能流量仪表采用了微控制器为控制核心，具备良好的可编程能力，可以轻松完成数据自动采集、过程自动控制、故障自动诊断、数据自动处理等功能。 这不仅提高了工作效率，节省了劳动力，而且使自动化程度得到了提高。
2 ）接口丰富。 明矾流量计往往都具备强大的系统功能接口，且接口种类多、数量多、功能强。 如模拟量输入和输出、开关量输入和输出、人机接口和通讯接口等。
3 ）具备通讯能力。明矾流量计几乎都具备通讯接口，如 RS－232C 接口、 RS485 接口、 USB 接口和以太网接口等， 使得仪表本身能与外界有良好的信息交互。
4 ）多功能化、小型化和高可靠性。随着科技的飞速发展使得微控制器芯片、外围电路芯片等器件集成度逐渐提高。 芯片功能越来越强，少数的几个芯片就可以实现强大的功能。
5 ）人机界面信息的交互更加实时，通过各种信息的反馈及时提醒用户在测量过程中出现的异常情况以保证参量参数的可靠性。
2 基于 μC／OS－III 在人机界面的应用
2．1 嵌入式实时操作系统
嵌入式系统，就是为了实现特定的功能，将硬件和软件连结起来的计算机系统。 然而，随着科技的不断发展，单纯的前、后台程序开发机制已经不再能满足越来越复杂化和多样化的嵌入式应用需求，因而现在常常采用嵌入式实时操作系统（ RTOS ， RealTime Operating System ）进行实时多任务程序的开发。 μC／OS－III 是基于 μC－OS 发展起来的， 它是美国嵌入式系统专家 Jean J Labrosse 用 C 语言编写的一个抢占式的多任务实时内核，其*大的特点是结构小巧。 μC／OS－III 是一个可扩展的，可固化的，抢占式的实时内核，它管理的任务个数不受限制。 它是*三代内核，提供了现代实时内核所期望的所有功能包括资源管理、同步、内部任务交流等。 μC／OS－III 也提供了很多特性是在其他实时内核中所没有的。 比如能在运行时测量运行性能，直接得发送信号或消息给任务，任务能同时等待多个信号量和消息队列。 如图 1 所示实时应用程序的设计通常包含多个任务，每个任务都是整体应用的一部分，都被赋予了一定的优先级， 当让也可以多个任务共一个优先级， 且有独自的一套CPU 寄存器和栈空间。
μC／OS－III 中的每一个任务都是无限循环的 。 每个任务会有五种状态，并且处于五种状态之一。 这五种状态分别是：睡眠态、就绪态、运行态、等待态以及中断服务态。 睡眠态是指任务只是以代码的形式存在于程序空间， 并未交给操作系统进行管理； 就绪态是指系统为任务配备了任务控制块且在任务就绪表中进行了就绪登记，使任务具备了运行的充分条件；运行态是指处于就绪态的任务如果经调度器判断获得了 CPU 的使用权时的状态；等待态则是正在运行的任务，需要等待一段时间或需要等待一个事件发生再运行； 中断服务状态是指一个正在运行的任务一旦响应中断申请就会中止运行而去执行中断服务程序。这五种状态在系统管理下的转换关系由图 2 所示。
2．2 人机界面应用实例
人机界面（ Human Machine Interaction ，简称 HMI ），又称用户界面或使用者界面，是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是计算机系统的重要组成部分。 在智能流量仪表的应用中，界面不仅显示测量的流量数据和各种报警信息，还能通过界面参数的设定改变测量有关的参数。 它主要包括键盘和LCD 显示。
下面以电磁流量计为例说明基于 μC／OS－III 的人机界面设计。 先将 μC／OS－III 移植到 Cortex－M3 处理器上，这里选用的是 STM32F103VET6 。电磁流量计的应用程序若按照上节的任务种类划分有： 数据采集任务、数据处理任务， 4～20mA输出任务， Hart 通讯任务以及用户交互任务。 先对不同的任务进行优先级的划分，如表 1 所示。
在多任务操作系统中，任务之间常常需要通过传递一个数据的方式来进行通讯。 为了适应不同数据的需要，可以在内存中创建一个存储空间作为该数据的缓冲区。如果把这个缓冲区叫做消息缓冲区，那么在任务间传递数据的一个*简单的方法就是传递消息缓冲区的指针。 因此，这种用来传递消息缓冲区指针的数据结构就称为消息邮箱。相对于 μC／OS－II ， μC／OS－III 有内在性能测试，它允许用户测得系统的*长关中断时间，也就是提供了一些工具可以测量每个任务关中断的时间；用户在测得每个任务的*长禁止调度时间基础上，可以测得系统禁止任务调度的*长时间，也是说做了个测量；每次发出的信息都带有时间戳，用户也容易得到任务级的响应时间。 这样便于优化各个任务之间的通信，在保证测量数据准确的前提下提高响应的时间。
3 结束语
本文基于现代智能流量仪表的特点提出了基于 μC／OS－III的智能流量仪表人机界面设计， 将 μC／OS－III 移植到 Cortex－M3 处理器之后能有效地优化程序，实现人机界面更加实时便捷的交互， 不仅能保证测量的可靠性还能实时对测量数据进行传输避免了多任务之间的冲突。
