一种实用的分布式数据采集和控制系统

一 引言

液体的液位测量在工业生产中非常普遍，应用领域也比较广，例如：自来水位的测量和控制，石道和储油罐的油位的测量等。高精度的传感器可用于这些测试系统中来感知传递压力、流量、 温度等信号，把这些信号变成电信号，然后经过放大、A/D转换、送入单片机处理后，最后发送到远方的PC机，这样可实现对现场的液位情况进行实时监控，从而向被控单元发出指令，采取相应的动作。整个系统的框图如下：

二 具体的实现过程

1.放大部分：TLC4502－双路自校准低噪声高速运算放大器的应用。

集成运算放大器种类很多，在各类仪表及控制电路中要求运算放大器必须具有高精度，高共模抑制比和低温漂等性能。目前采用的精密运算放大器都具有外接调零电位器输入端，应用时首先对其失调调零。由于电路复杂，给调试带来不便。美国TI仪器公司研制生产的TLC4502精密型双运算放大器，采用自动校准技术，在上电时将输入失调电压自动调整为零，使用起来十分方便，同时也节省了PCB板和外部分离元件，该器件的管脚排列如下图所示：

LC4502自动校准运算放大器在片内利用对数字与模拟信号的处理，可在上电时输入失调电压自动校准为零。完成自动校准一般需要300ms的时间，连续校准时可在（±）3范围内反复进行。一旦校准完成，大部分校准电路将脱离信号通道并被关断，这样，校准电路对信号通道几乎无影响，这也使得TLC4502在校准周期结束之后可以完全象其他精密运算放大器一样使用。

TLC4502具有高精度，高增益，良好的电源抑制比，驱动能力强等特点，可广泛应用于数据采集，数字音频，工业控制等领域。在本系统中，用来放大从传感器出来的微弱信号，具体电路如图１：

2． A/D转换部分。TLC1549－带串行控制的10位模数转换器的应用。

从放大器出来的电压信号进入到A/D转换器以形成单片机便于处理的数字信号。在该设计中，采用了美国TI公司生产的10位模数转换器TLC1549。它采用CMOS工艺，具有内在的采样和保持，采用差分基准电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，总不可调整误差达到（±）1LSB Max(4.8mv)，占地面积小等特点。

其工作原理为：在芯片选择（/CS）无效情况下，I/O CLOCK最初被禁止且DATA OUT处于高阻

状态。当串行接口把/CS拉至有效时，转换时序开始允许I/O CLOCK工作并使DATA OUT脱离高阻状态。串行接 口然后把I/O CLOCK 序列提供给I/O CLOCK并从DATA OUT接收前次转换结果。I/O CLOCK从主机串行接口接收长度在10和16个时钟之间的输入序列。开始10个I/O时钟提供采样模拟输入的控制时序。在/CS的下降沿，前次转换的MSB出现10个时钟长度 ，那么在10个时钟的下降沿，内部逻辑把DATA OUT拉至低电平以确保其余位的值为零。在正常进行的转换周期内，规定时间内/CS端高电平至低电平的跳变可终止改周期，器件返回初始状态（输出数据寄存器的内容保持为前次转换结果）。由于可能破坏输出数据，所以在接近转换完成时要小心防于止/CS被拉至低电平。 时序图如图２：

由于它采用串行输出的方式，占地面积小，方便灵活，与单片机的接口也简单，电路如图３：

3．ＲS485接口芯片部分－75LBC184

放大的电压信号经过A/D转换由单片机处理后，要传送到远方的PC机，以便达到实时监控的目的。以单片机为主体构成的分布式数据采集和控制系统，因为其电路结构简单，工作可靠性高而被广泛应用在工业控制中。目前广泛使用的单片机产品都集成了串行通信接口，使用串行通信接口，通过RS485接口驱动芯片就可以构成总线型通信网络，把多台单片机系统连接成一个分布式数据采集和控制系统。但为了克服单片机的不足，引入了PC机，采用主从式结构模式，即PC机为主机，分布在现场的各个单片机系统为从机，其结构如下图所示。

PC机串行口为标准的RS232口，根据标准规定：RS232采用负逻辑，并且传输距离短，一般用于20m以内的通信。而对于大多数分布式控制系统，通信距离为几十米到几千米不等，因此，RS232接口不能满足系统的要求，目前广泛采用的是RS485收发器。RS485收发器采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，加上收发器具有高的灵敏度，能检测低达200mv的电压，故传输信号在千米以外得到恢复。在这种分布式控制系统中，通信是系统的关键，是系统设计时首要考虑的问题。而如何有效可靠地实现RS232与RS485之间的转换是系统通信实现的前提。

在该设计中，使用了TI公司生产的一种RS485接口芯片75LBC184,它使用单一电源Vcc，电压在＋3～＋5.5V范围内都能正常工作，能完成TTL与RS485之间的转换。其引脚如下图所示：该芯片与普通的RS485收发器相

比，有一个显著的特点，那就是片内A、 B引脚接有高能量顺变干扰保护装置，可以承受峰值为400W（典型值）的过压顺变，故它能显著提高防止雷电损坏器件的可靠性。对一些环境比较恶劣的现场，可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件。该芯片还有一个独特的设计，当输入端开路时，其输出为高电平，这样可保证接收器输入端电缆有开路故障时，不影响系统的正常工作。另外，它的输入阻抗为RS485标准输入阻抗的2倍（≥24ＫΩ），故可以在总线上连接个收发器，其工作原理如图4 所示。

在该设计中，经过单片机处理的信号，经过75LBC184与外围电路形成的RS232/RS485电平转换器电路，然后传到远方的PC机进行实时监控。具体实现的电路如图５：

在该电路中，使用了三片光电耦合器TLP521进行隔离，使得PC机与SN75LBC184之间完全没有了电的联系，提高了工作的可靠性，其工作原理为： 当RS232的RTS端为逻辑电平1（－12V）时，光电耦合器的发光二极管不发光，光敏三极管不导通，输出电平为TTL的逻辑电平1（＋5V），选中RS485接口芯片的DE端，容许RS485接收，这样，RS232的TXD端就可以发送数据（工作逻辑与RTS端相似）。当RS232的RTS端为逻辑电平0（＋12V）时，光电耦合器的发光二极管发光，光敏三极管导通，输出端为TTL的逻辑电平0（0V），选中RS485接口芯片的RE端，容许RS485发送。RS485的R端工作时，当其输出为逻辑电平1时，光电耦合器的发光二极管不发光，光敏三极管不导通，借助RS232输出停止时其TXD电平为－12V，电容被充电到－12V，使其输出也为－12V，即逻辑电平1；当其输出为逻辑电平0，光电耦合器的发光二极管发光，光敏三极管导通，使其输出也为＋5V，也在RS232逻辑电平0的范围之内，即为逻辑电平0。这样，根据PC机和单片机之间的协议，就可实现二者交互式的通信。

4．电源部分

电源的稳定性是整个系统能够正常工作的基础，在本设计中，所有的器件都采用常用的＋5V的电压，为了提高电压的稳定性，采用了TI公司生产的固定正输出、低压差稳压器TL750L05。TL750L05必须有输出电容，没有输出电容，则其输出端的电压为锯齿波形状，锯齿波的上升沿随输入电压变化而变化，加输出电容后，可以抑制上述现象，输出电容的范围在0.1uF~1uF内。电路如图６所示：

接口技术作业

学号：0005018

卡号：001549 姓名：李东良

教授专题讲座论文 嵌入式操作系统的发展趋势

学号：0005018

卡号：001549 姓名：李东良

嵌入式操作系统的发展趋势

一、何为嵌入式系统和嵌入式操作系统

Internet与网络的迅速普及应用，并向家庭领域不断扩展，使消费电子、计算机、通信（3C）一体化趋势日趋明显，嵌入式系统再度成为研究与应用的热点。 嵌入式系统被描述为：以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是集软硬件于一体的可工作的“器件”。嵌入式处理器主要由一个单片机或微控制器（MCU）组成。相关支撑硬件包括显示卡、存储介质、通信设备、IC卡

或信用卡读取设备等。

嵌入式操作（real-time embedded operating system,RTOS 或EOS）是一种实时的、支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统（包括硬、软件系统）极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面。标准化浏览器Browser等。目前，嵌入式操作系统的品种较多，据统计，仅用于信息电器的嵌入式操作系统就有40种左右，其中较为流行的主要有： Windows CE、Palm OS、Real-Time Linux、VxWorks、pSOS、PowerTV以及Microware 公司的OS-9。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。

二、面向Internet的、特定应用的嵌入式操作系统是重要发展趋势嵌入式操作系统伴随着嵌入式系统的发展经历了三个比较明显的阶段： (1) 无操作系统的嵌入算法阶段

这一阶段的嵌入式系统是以可编程控制器的形式、以单芯片为核心的系统，同时具有与一些监测、伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中，一般没有明显的被称为操作系统（RTOS）的支持，而是通过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。这一阶段系统的主要特点是系统结构和功能都相对单一，针对性强，但无操作系统支持，几乎没有用户接口。

(2) 简单监控式的实时操作系统阶段

这一阶段的嵌入式系统主要以嵌入式处理器为基础、以简单监控式操作系统为核心。系统的特点是处理器种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；系统一般配备系统仿真器，具有一定的兼容性和扩展性；操作系统的用户界面不够友好，其主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。 (3) 通用的嵌入式实时操作系统阶段

以通用型嵌入式实时操作系统（RTOS）为标志的嵌入式系统。如VxWorks、pSOS、OS-9、Windows CE就是这一阶段的典型代表。这一阶段系统的特点是能运行在各种不同类型强大的微处理器上；具有强大的通用型操作系统的功能，如具备了文件和目录管理、多任务、设备支持、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的丰富的应用程序接口（API）和嵌入式应用软件丰富。 伴随着通用型嵌入式实时操作系统的发展，一个以面向 Internet网络的、特定应用的嵌入式操作系统正日益引起人们的重视，成为极为重要的发展方向。嵌入式系统与Internet的真正结合、嵌入式操作系统与应用设备的无缝结合代表着嵌入式操作系统发展的真正未来。

三、需要面向应用、专用特制的新一代嵌入式操作系统

在工业控制及其他相关领域的长期应用与商业竞争中已逐渐形成了一些较为成功的嵌入式操作系统，其中主流的嵌入式操作系统有Windows CE、 Palm OS、Embedded Linux、VxWorks、pSOS及OS-9等。我们通过对这些系统进行分析认为，它们虽然提供了较为强大的类似于桌面操作系统的功能，但针对嵌入式系统的特征与特性而言，其共同的缺点是缺乏应用的高效性，网络连接功能较差，系统对应用程序开发支持相对较弱，因此，迫切需要面向应用的、专用特制的新一代嵌入式操作系统。 微软公司的Windows CE是一个较具代表性的、由桌面操作系统演变而成的实时嵌入式操作系统。它是精简的Windows 95，从技术的角度来说，并不能算

是优秀的RTOS。首先，RTOS非常注重个性化，而Windows CE是非开放性OS，使第三方很难实现产品的定制；其次，RTOS追求高效、节能，而Windows CE在这方面是笨拙的，占用过多的RAM，应用程序庞大；第三，Windows CE在内核结构的设计中并未考虑适应系统的高度可裁减性的要求。

3Com公司的Palm OS是掌上电脑市场中较为优秀的嵌入式操作系统，是针对这一市场专门设计的系统，它有开放的操作系统应用程序接口(API)，支持开发商根据需要自行开发所需的应用程序，具有十分丰富的应用程序。从技术层面上讲， Palm OS是一套专门为掌上电脑开发的操作系统，具有许多Windows CE无法比拟的优势，是一个面向个人信息辅助应用的操作系统范例，它表明了特定应用的嵌入式操作系统是这一领域的研究热点与方向。

目前各种嵌入式Linux操作系统正迅速发展，已经形成了能与Windows CE等嵌入式操作系统进行有力竞争的局面。嵌入式Linux操作系统的迅速崛起，主要由于人们对自由软件的渴望与嵌入式系统应用的特制性，要求提供系统源码层次上的支持，而嵌入式Linux正适应了这一需求，它不仅具有开放源代码，系统内核小、效率高、内核网络结构完整，裁减后的系统很适于如信息家电等嵌入式系统的开发。

VxWorks、pSOS和OS-9是传统嵌入式操作系统领域中应用最广泛、市场占有率较具优势的几个系统。它们是专门为嵌入式微处理器设计的高模块化、高性能的实时操作系统，广泛应用于高科技产品中，包括消费电子设备、工业自动化、无线通信产品、医疗仪器、数字电视与多媒体设备，具有很好的安全性、容错性以及系统灵活性。虽然它们都提供专有的API接口，但并不适用现在的许多应用需要，迫切需要在系统级整合改造并支持应用特制的性能，即在定制的或商品化的硬件上提供高性能和高可靠性系统服务，将操作系统的功能和内存需求定制成每个应用所需的系统，在此基础上来实现从简单的单个设备到复杂的、网络化的、多处理器的嵌入式系统。 四、ASOS概念

特定应用的嵌入式实时操作系统（application specific operating systems，ASOS）是指面向应用的、专用特制的嵌入式实时操作系统。它除具有基本的处理多任务、文件及设备驱动的操作系统功能之外，还具有如下系统特性：

·面向特定应用的简化型系统调用接口，专门支持一种或一类嵌入式应用；

·最小内核处理集，系统开销小，运行效率高，并可用于各种非计算机设备；

·可伸缩性、可裁减的系统体系结构，提供多层次的系统体系结构； ·具有各种即插即用的设备驱动接口；

·具有网络如Internet或无线接入功能，提供TCP/UDP/IP/PPP协议支持及统一的 MAC 访问层接口，为各种移动计算设备预留接口。

ASOS与通用型RTOS相比较，至少有以下差别：

·ASOS更强调面向应用的功能专用性，如面向某一（组）应用的高可靠性的部分功能集，而并不像RTOS的系统通用性与系统资源可配置性；

·ASOS更强调面向应用的实时高性能，而并不像RTOS强调的系统整体

效率；

·ASOS更强调系统结构的可伸缩性和可裁减性，一个极典型的例子是传真机操作系统（OS for FAX Machine）；

·ASOS更强调与Internet的连接，特别是无线接入接口。 五、ASOS体系结构

ASOS的系统结构是一个可伸缩、可裁减的，提供多层次的、功能对象化的系统体系结构。多层次的构造有利于操作系统的系统功能规整和可伸缩性；面向对象的系统功能划分有利于系统的裁减与增添。 a．层次化的、可伸缩性的体系结构

ASOS的一个较为理想的概念模型是4层体系结构，即硬件接口层（hardware interface layer）、内核层(kernel layer)、系统层(system layer)、系统服务接口层(system server layer)。 各层的主要功能如下：

硬件接口层 提供与嵌入式硬件系统的接口。

内核结构层 系统内核精小，控制在非常小的代码（如 10KB）以内，能运行在多种嵌入式处理器构架上。内核针对应用提供几种最基本的操作，如系统时钟、电源管理、程序装载与运行、进程/线程调度、内存管理等。应提供一个实时系统所需要的基本要素，如实现多任务、由优先级驱动的急者优先式调度方法和快速现场切换机制。

系统层 系统功能模块化和对象化，提供面向对象的系统资源管理功能，如FFS Flash内存管理、文件与目录管理、设备管理、网络协议管理等。可根据实际应用的需要选择应用特制的功能模块或部件。每个系统级模块又都提供标准的系统服务的API接口，向用户开放，便于在其上扩充新的功能。 系统服务接口层 提供基于系统功能的、面向应用的系统功能调用与服务接口。 系统内核的微小化、系统功能的对象化、系统服务接口的应用化是ASOS体系结构构造的基本特点。

b．面向对象的系统功能划分

面向对象的操作系统的系统功能划分是实现系统可裁减性的基础。在特定应用的嵌入式操作系统的系统构造，特别是系统层的功能划分与框定上，需要采用面向对象的方法进行设计。至少有以下两个例子说明在面向Windows的用户界面的设计与设备驱动资源的规划方面采用面向对象的方法是非常必要的。 ASOS提供类似Windows窗口功能的系统外壳和面向图形化窗口功能的用户界面，包括菜单、按钮、单选框、复选框、编辑框、列表框、组合框、静态控制框、滚动条、对话框和默认窗口等多种窗口界面对象（控件）。利用系统本身提供的API和消息，便可编制各种基于图形界面的应用程序，以满足用户的实际应用需要。这些面向对象在Windows下的应用程序，可以不改代码、不用重新编译或稍改一些接口API即可使用。

ASOS所提供的设备驱动程序通常包括目前在市场上流行的各种输入、输出设备，如通用视频驱动、键盘、鼠标、笔、触摸屏等其他输入设备接口。面向对象的设备驱动的构造支持可重构造的、可拆卸的系统接口。 六、ASOS的构造方法

ASOS的设计方法研究是构造嵌入式操作系统的关键问题，我们认为至少存在以下两种方法：

1． 面向应用的裁减生成方法

面向应用的裁减生成方法（application oriented plus-and- minus method for ASOS）是针对应用问题，在原嵌入式操作系统的基础上增加或裁减，定制而成一个ASOS。在4层构架面向对象构件的系统结构中，依据应用的需求，采用面向对象的原型软件开发方法，对于面向对象部件的裁减与增添，二次开发特制而成一个针对某一种或一组应用的专用化嵌入式实时操作系统。 2．基于模式的生成方法

基于模式的生成方法（pattern-based generation method for ASOS），就是在原嵌入式操作系统的基础上，依据生成模式产生一个ASOS。生成模式可采用规则表达或框架系统。依据应用的需求，并基于生成模式规则，在设计专家的交互参与下，在原嵌入式操作系统的基础上，生成针对某一种或一组应用的专用化嵌入式实时操作系统。基于模式的生成方法可进一步开发成计算机辅助的ASOS的开发系统，

七、ASOS的应用前景分析

ASOS的发展前景将非常广阔。嵌入式系统具有巨大的市场需求前景，仅就美国市场而言，据估计，21世纪接入Internet的将有1亿辆汽车、几千万台个人通信装置、每个家庭中5～20个联网的家用电器以及数以百万计的工厂系统。业界分析家认为， 嵌入式系统在IP电话、游戏装置和手持式通信装置的推动下将会有突飞猛进的发展。据市场分析人员预测，到2000年，嵌入式PC的销售额将达到10亿美元;

到2001年，非PC的“软”嵌入装置将达到4000万台。而在中国，信息电器涉及的领域很广，市场也很大。1999年，中国信息电器市场规模为10 亿元人民币；据预测，2000年将达到50亿～100亿元规模，2001年将达到500亿～700 亿元，而2004年，市场规模有望达到3500亿～5000亿元。

这类嵌入式操作系统不仅在传统的工业控制和商业管理领域有极其广泛的应用空间，如智能工控设备、POS/ATM机、IC卡等，而且在信息家电领域的应用更具有极为广泛的潜力，例如机顶盒、WebTV、网络冰箱、网络空调等众多的消费类和医疗保健类电子设备，以及在车载盒、智能交通等领域的应用也呈现出前所未有的生机。

1．信息家电领域

机顶盒、WebTV、网络冰箱、网络空调等众多的消费类和家庭医疗保健类电子设备将在未来几年取得快速发展，信息家电的个性化、区域化以及季节化的趋势，为特定应用的嵌入式操作系统提供了应用发展空间。据估计，未来10年是信息家电发展的黄金时期，以机顶盒为例，估计10年间总量可达到1亿～1.5亿台，总市场需求将达到900亿～1500亿元。信息智能家居是未来发展的方向，估计几年内将在中国得到快速发展。 2． 医疗仪器领域

大量医疗仪器的应用，如嵌入式心脏起搏器、嵌入式放射设备及分析监护设备，都需要ASOS的支持，像各种化验设备，如肌动电流描记器、离散光度化学分析、分光光度计等，都需要使用高性能的、专用化的嵌入式系统来提高其精度和速度。引入ASOS后，现有的各种监护仪的功能与性能都将得到大幅度的提高。

3．智能汽车领域

随着无线通信与全球定位技术的日益成熟和广泛应用，集通信、信息、

导航、娱乐和各类汽车安全电子系统于一体的车载盒会成为下一代和未来汽车的发展方向。由于足够的市场需求，车载盒必将成为近年来发展的热点，ASOS在该领域应用市场的规模未来几年里将迅速增加。 4．智能交通领域

随着人们对环境要求的不断提高，智能交通系统（ITS）必将是新世纪迅猛发展的支柱产业。特定应用的嵌入式操作系统将是发展智能综合路口控制机、路车交互系统、新型停车系统、高速公路的信息监控与收费综合管理系统的关键技术，其应用将确保智能交通系统的低成本与高性能，大大提高系统的可靠性和智能化程度。

ASOS已引起许多相关行业的高度重视，出现了一些专门对此进行研制开发的公司，如美国ASOS系统有限公司。随着对高性能与低成本的不断追求， ASOS将成为许多产品尤其是智能型产品的核心技术，其应用前景十分广阔