甘世程添加摘要的論文

1、 2012屆本科生畢業(yè)研究題目: 網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器研究 作 者 姓 名： 甘世程 學(xué) 號： 2008080413 系 (院)： 機械與電子工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 指導(dǎo)教師姓名： 鄭 偉 指導(dǎo)教師職稱： 講 師 2012年 5月 1日摘 要 傳感器作為一種獲取信息的重要工具,在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域發(fā)揮著重大的作用。但隨著微處理器技術(shù)的迅猛發(fā)展以及測控系統(tǒng)自動化、智能化的發(fā)展，傳感器遠遠趕不上計算機的發(fā)展速度。因此傳統(tǒng)的傳感器已與各種微處理器相結(jié)合，并連入網(wǎng)絡(luò)，形成了帶有信息檢索、信號處理、邏輯思維等一系列功能的智能傳感器。針對當(dāng)前各領(lǐng)域中傳感器的微型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨

2、勢，從網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的結(jié)構(gòu)和特點入手，論述了一種基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的軟、硬件設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)接口單元 TCP/IP協(xié)議 Web服務(wù)器Abstract As a kind of sensor information important tool, in industrial production, science and technology, etc and plays a great role. But along with the rapid development of microprocessor technology and measurement and

3、 control system, automatic and intelligent development, behind the development of the computer sensor speed. So the traditional sensor has combined with all kinds of microprocessor, and connected to any network, formed with information retrieval, signal processing, logical thinking and a series of f

4、unction of intelligent sensor. In view of the current every field of sensors in miniaturization, intelligence, and the trend of the development of the network, intelligent sensor network from the structure and characteristics of, this paper discusses a based on TCP/IP network of intelligent sensor o

5、f the software and hardware of the design requirements.Key words : The network interface unit TCP/IP protocol Web server目 錄引言11 網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的發(fā)展及現(xiàn)狀21.1 網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的發(fā)展21.2 網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的現(xiàn)狀22 網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的硬件結(jié)構(gòu)及特點42.1 敏感元件的特點42.2 信號處理部分的特點42.3 處理器部分的特點42.4 網(wǎng)絡(luò)接口單元的特點53 網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的軟件結(jié)構(gòu)及特點63.1 TCP/IP 協(xié)議庫63.2 Web 服務(wù)器 Webserv

6、er63.3 實時多任務(wù)操作系統(tǒng) RTOS74 結(jié)束語10參考文獻11引言 隨著以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信接口技術(shù)和檢測技術(shù)、工智能技術(shù)的發(fā)展，微型處理控制器正在向著單片化、微型化、綜合化、高性能價格比的方向發(fā)展，特別是綜合了在片的程序數(shù)據(jù)存儲器、ADC轉(zhuǎn)換和IO接口功能的單片機的出現(xiàn)，已經(jīng)在智能化儀表中獲得廣泛應(yīng)用，也為智能傳感器的設(shè)計和實現(xiàn)提供了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。采用最新IC技術(shù)，將信號檢測、信號處理和控制電路集成到單個的芯片上，實現(xiàn)將微處理芯片嵌入傳感器內(nèi)部，不僅能大大提高傳感器的性能，并能擴展傳感器的功能，從而實現(xiàn)傳感器的智能化。 與傳統(tǒng)的輸出模擬信號傳感器相比，智能

7、傳感器能在芯片內(nèi)部實現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)的檢測和加工處理，并且可以通過標準的接口與外界實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，以及根據(jù)實際的需要通過軟件控制改變傳感器的工作，從而實現(xiàn)智能化。同時，智能傳感器在它內(nèi)部采用軟件和硬件綜合方法實現(xiàn)傳感器信號的校準、溫度補償、線性計算和減小漂移等功能，而不像傳統(tǒng)傳感器使用復(fù)雜專用硬件線路完成對傳感器信號的濾波、調(diào)零、補償?shù)裙δ?。所以智能傳感器具有更高準確性和更好的穩(wěn)定性與可靠性，并且綜合成本更為便宜，使用更為方便。由于使用標準現(xiàn)場總線或其他標準總線接口，智能傳感器具有良好的開放性、擴展性，給系統(tǒng)的擴充帶來了很大的發(fā)展余地。智能傳感器概念的產(chǎn)生和發(fā)展是一個不斷“與時俱進”的過程，經(jīng)歷一個

8、內(nèi)涵不斷豐富的過程，它不僅僅是將單片機嵌入到傳感器中實現(xiàn)模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，而且要實現(xiàn)溫度補償、修正、校準，同時利用AD變換器將模擬信號轉(zhuǎn)換數(shù)字信號，它不是簡單的硬件構(gòu)成，而是通過硬軟件綜合技術(shù)的運用，對信號進行處理，輸出數(shù)字信號。 隨著“現(xiàn)場總線”概念的出現(xiàn)及其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)測量和控制中信息的交換主要是通過現(xiàn)場總線和Internet等網(wǎng)絡(luò)來完成，為了實現(xiàn)多傳感器之間的信息交換，有必要將傳感器內(nèi)各個敏感單元及其功能單元聯(lián)系在一起，通過軟件輸出符合某種協(xié)議格式的數(shù)字信號，從而可實現(xiàn)傳感器與傳感器之間、傳感器與執(zhí)行器之間、傳感器與系統(tǒng)之問的數(shù)據(jù)交換和共享，其未來發(fā)展方向就是網(wǎng)絡(luò)化智能傳感

9、器。1 網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的發(fā)展及現(xiàn)狀1.1 網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的發(fā)展大致可分為3個階段：第一階段的傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是點對點結(jié)構(gòu)，接口標準如電流環(huán)和 15V信號為傳感器和控制信息到達或離開傳感器或執(zhí)行器提供了一種方法。伴隨著微處理器的開發(fā)日趨成熟，傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展也開始進入第二階段。微處理器在傳感器領(lǐng)域中的應(yīng)用使傳感器節(jié)點的智能水平不斷提高，原先的通訊技術(shù)過于簡單已不能滿足需求。同時一些數(shù)據(jù)標準如 RS232、RS422、RS485 的研究極大地刺激了新型傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的開發(fā)成功，而且這一階段的傳感器網(wǎng)絡(luò)已從簡單的連接到形成了真正具有拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。在此階段傳感器網(wǎng)絡(luò)

10、發(fā)展取得的最大進步是源于1983 年 Intel 公司推出 BITBUS 和 8044 微控制芯片。BITBUS 能使高級別產(chǎn)品通過其遠程訪問命令而實現(xiàn)通訊和信息處理的能力。此外 BITBUS 將一個小的實時內(nèi)核封裝于 8044 中，第一次將傳感器總線布于一個產(chǎn)品之中，用于連接傳感器或執(zhí)行器，代替原來的直接連線。傳感器網(wǎng)絡(luò)的第三階段所采用的技術(shù)都源于 80 年代美國通用汽車公司使用的生產(chǎn)自動化協(xié)議 MAP（Manufacturing Automation Protocol），它允許實時數(shù)據(jù)和信息在聯(lián)網(wǎng)元器件間交換。一些小型的網(wǎng)絡(luò)如 Profibus 就是在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，而緊接著出現(xiàn)的各種工業(yè)

11、現(xiàn)場總線又使傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展邁了一大步。首先是 HART 協(xié)議，它是一種加工工業(yè)協(xié)議，用于 Smart 儀器同時進行數(shù)字和模擬量通訊，它的開發(fā)使人們意識到，傳感器或執(zhí)行器系統(tǒng)的互可操作性和寬范圍內(nèi)的內(nèi)部連接性對于標準化的需求要遠高于通訊系統(tǒng)的需求，于是便出現(xiàn)了設(shè)備描述語言 DDL（Device Description Language），它允許應(yīng)用程序與它以前未應(yīng)用過的設(shè)備進行交互，這是通過查詢元器件功能的書面描述來實現(xiàn)的，這種技術(shù)已被后來的許多現(xiàn)場總線技術(shù)所使用。在這個發(fā)展階段還有一個變革是 C/S（客戶/服務(wù)器）模式向 P/S（發(fā)布/訂閱）模式的轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)一般采用 C/S 結(jié)構(gòu)

12、，應(yīng)用程序與傳感器通過一對一的請求和響應(yīng)進行交互，而 P/S 模式則使信息在網(wǎng)絡(luò)上對于所有的設(shè)備和應(yīng)用程序都是有用的，大大提高網(wǎng)絡(luò)的使用效率，提高了傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性。90 年代以來，Internet 已遍布世界各地，這也使得傳感器網(wǎng)絡(luò)不再局限于現(xiàn)場總線方向的開發(fā)，人們開始嘗試將傳感器象其它網(wǎng)絡(luò)終端一樣作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接入到 Internet 中來，因此便出現(xiàn)了嵌入 TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)傳感器，通過此類傳感器的接口，可直接與 Internet 相連，這樣就可在Internet 上的其它終端上對傳感器進行遠程數(shù)據(jù)訪問、信息實時發(fā)布與共享，以及對其進行在線編程。1.2 網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的現(xiàn)狀 傳感器

13、網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展仍處于不成熟的階段，主要表現(xiàn)在缺乏標準和規(guī)范方面。在現(xiàn)場總線方面，傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的基于各種現(xiàn)場總線標準的分布式測量和控制系統(tǒng)DMCS（distributed measurement and control system）所采用的控制總線網(wǎng)絡(luò)多種多樣，千差萬別，內(nèi)部結(jié)構(gòu)、通訊接口、通訊協(xié)議各不相同，如 Foundation Fieldbus、LonWorks、Profibus、HART、CAN、Dupline 等。由于每種總線標準都有自己規(guī)定的協(xié)議格式，相互之間互不兼容，這使得用戶經(jīng)常面對在選擇了滿足精度要求的傳感器時，卻發(fā)現(xiàn)它不適合自己已有的總線形式，或者適合總線形式的傳感器卻滿足不

14、了精度要求的尷尬局面。因此需要一個關(guān)于智能傳感器網(wǎng)絡(luò)接口的開放式標準來統(tǒng)一傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。在 Internet 方面，由于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已十分成熟，只要開發(fā)的智能傳感器網(wǎng)絡(luò)接口能支持 Internet 協(xié)議，便能實現(xiàn)與 Internet 的無縫接入。目前也沒有專門給傳感器接入 Internet 使用的協(xié)議，研究使用的是一種嵌入式 TCP/IP 協(xié)議。這種嵌入式TCP/IP 協(xié)議是在原有 TCP/IP 協(xié)議的基礎(chǔ)上進行裁減、增刪組成的，這樣既節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)傳感器寶貴的資源，又能實現(xiàn)功能。2 網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的硬件結(jié)構(gòu)及特點 網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的結(jié)構(gòu)大致可分為敏感元件、信號處理理部分、微處理器單元

15、和網(wǎng)絡(luò)接口單元。其中，敏感單元將被測信號轉(zhuǎn)化成電信號；信號調(diào)理單元完成信號的模擬濾波、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換等預(yù)處理功能；微處理器單元是智能傳感器的核心，主要完成信號數(shù)據(jù)的采集、處理（如數(shù)字濾波、非線性補償、自診斷）和數(shù)據(jù)輸出調(diào)度（包括數(shù)據(jù)通信和控制量本地輸出）等工作；網(wǎng)絡(luò)接口單元則實現(xiàn)傳感器與網(wǎng)絡(luò)的連結(jié)，負責(zé)將傳感器信息按網(wǎng)絡(luò)傳輸格式傳到網(wǎng)絡(luò)上去，同時也接收網(wǎng)上發(fā)來的信息進行解讀以對傳感器進行自身設(shè)置或做出相應(yīng)響應(yīng)。2.1 敏感元件的特點 敏感元件在整個系統(tǒng)中扮演的是“感官”的角色，就象人的五官一樣，它將外界的各種信號轉(zhuǎn)換成傳感器系統(tǒng)能理解的信號。按傳感單元的不同，傳感器可分為物理傳感器、化學(xué)傳感器

16、和生物傳感器。物理傳感器是發(fā)展最早、種類最多的一類傳感器，它主要是將物理世界的各種物理量如力、位移、流量和溫度等等通過其敏感單元轉(zhuǎn)換為電或光的物理量，其轉(zhuǎn)換動作采用的是物理效應(yīng)，如雙金屬片的受力彎曲，壓強的作用以及一些敏感元件受力后產(chǎn)生的光電反應(yīng)等等。化學(xué)傳感器則是通過化學(xué)效應(yīng)來進行測量外界變量的，如能檢測各種離子（H+，Na+，K+等）的離子傳感器，測量各種可燃氣體（CO，H2，O2 等）的氣體傳感器和檢測濕度的濕度傳感器。生物傳感器最初是指用來檢測有機物的傳感器，隨著生物工程技術(shù)的發(fā)展，其概念不斷被修正和更新，現(xiàn)在稱“以固定化的生物體成分或生物體本身作為敏感元件的傳感器為生物傳感器”，例如

17、酶傳感器、微生物傳感器和免疫傳感器分別涉及到了酶、蛋白質(zhì)、微生物細胞核生物體組織等等。2.2 信號處理部分的特點 信號處理單元在整個系統(tǒng)中扮演的是“神經(jīng)”的角色，就象人的神經(jīng)一樣，當(dāng)人的五官感受到外界的各種信息后，并不是所有的信息都直接傳送給了大腦，而是經(jīng)過人類神經(jīng)篩選和抽取的。在信號傳送和記憶時，由于噪聲的混入和系統(tǒng)的特性不完整等會產(chǎn)生某種信號畸變。為了既正確地傳送，又正確地記億，應(yīng)對畸變的信號進行修復(fù)。為此必須進行信號的某些處理。信號調(diào)理單元就是完成對傳感單元采集來的信號進行模擬濾波、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理。在智能傳感器的信號調(diào)理單元往往需要模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，將經(jīng)過模擬濾波放大的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信

18、號再傳給微處理單元進行進一步處理。模數(shù)轉(zhuǎn)換器一般要考慮的是其轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換速度可視微處理器速度而定，而轉(zhuǎn)換精度則是現(xiàn)場要求而定，一般在 10 位以上。2.3 處理器部分的特點微處理單元是智能傳感器的核心，主要完成信號數(shù)據(jù)的采集、處理（如數(shù)字濾波、非線性補償、自診斷）和數(shù)據(jù)輸出調(diào)度（包括數(shù)據(jù)通信和控制量本地輸出）等工作。從智能傳感器高可靠性、低功耗、低成本和微體積等特點出發(fā)，嵌入式微處理器系統(tǒng)是最佳選擇。嵌入式微處理器系統(tǒng)種類很多，如嵌入式微處理器（Embedded Microprocessor Unit，EMPU）、嵌入式微控制器（Micro-controller Unit，MCU）

19、和嵌入式 DSP 處理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）等。其中，EMPU 具有體積小、重量輕、成本低的優(yōu)點，可在電路板上外置 ROM、RAM 和各種外設(shè)等器件，擴充系統(tǒng)功能與資源；MCU 的特點是計算機系統(tǒng)單片化，因而體積小、功耗和成本低、可靠性高且片上外設(shè)資源豐富，比較適合于控制；EDSP 則嵌入了 DSP 處理器，特點是編譯效率較高，指令執(zhí)行速度高，適合運算量較大（如向量運算、指針線性尋址等較多）的場合，但價格較高。本項目研究將以 EMPU 為核心，采用集成多種外設(shè)的嵌入式系統(tǒng)，通過連接傳感單元和網(wǎng)絡(luò)接口單元來實現(xiàn)，這樣在已有的嵌入式系統(tǒng)平

20、臺上，根據(jù)自己的需要，進行軟硬件剪裁，即加快了開發(fā)進度，也提高了系統(tǒng)可靠性。2.4 網(wǎng)絡(luò)接口單元的特點 網(wǎng)絡(luò)接口單元是實現(xiàn)傳感信息與網(wǎng)絡(luò)接入的關(guān)鍵。為了使智能傳感器能就近接入到 Internet/Intranet 中，本設(shè)計選用公開、通用的 TCP/IP 協(xié)議，并將此協(xié)議庫嵌入到此網(wǎng)絡(luò)接口單元中，使微控制器能直接控制此網(wǎng)絡(luò)接口單元，并運用 TCP/IP 協(xié)議，實現(xiàn)傳感器信息與 Internet/Intranet 的聯(lián)接。由于現(xiàn)場級的智能傳感器的軟、硬件資源畢竟有限，還要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的軟件處理功能，因此，對于傳感信息量大、實時要求性高的應(yīng)用場合，完全利用軟件實現(xiàn)協(xié)議難以達到要求。一般采用專用的網(wǎng)絡(luò)模

21、塊實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（內(nèi)嵌有以太網(wǎng)控制芯片），利用 SOC（System on Chip）等新一代嵌入式技術(shù)設(shè)計通信接口單元硬件。3 網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的軟件結(jié)構(gòu)及特點 有了硬件作為基礎(chǔ)，軟件的設(shè)計就有了針對性。對于嵌入式網(wǎng)絡(luò)開發(fā)平臺，不需要象單片機那樣用匯編語言進行編程，而是直接用高級語言 C 或 C+編程。為了接入 Internet，除了以太網(wǎng)控制芯片還是不夠的，它只完成了底層的協(xié)議轉(zhuǎn)換。這就需要 TCP/IP 協(xié)議庫的支持，由它來完成上層協(xié)議的轉(zhuǎn)換。例如運行了一個實時多任務(wù)操作系統(tǒng) RTOS（Real Time Operation System）。編制的所有程序都是在 RTOS 下運行的，它大大

22、提高了可靠性和實時性，用多任務(wù)來實現(xiàn)多處理器的功能。還可按IEEE P1451.1 和 IEEE P1451.2 對網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器接口進行一些標準化改造。3.1 TCP/IP 協(xié)議庫 在談到協(xié)議時，往往要對它進行分層認識。TCP/IP 協(xié)議并不具有開放系統(tǒng)互聯(lián)模型基本參考模型 OSI/RM（Open Systems Interconnection Reference Model）所規(guī)定的七層結(jié)構(gòu)，即：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、運輸層、會話層、表示層和應(yīng)用層。TCP/IP 協(xié)議通常被認為是一個四層協(xié)議系統(tǒng)。 應(yīng)用層是原理體系結(jié)構(gòu)中的最高層。它確定進程之間通訊的性質(zhì)以滿足用戶的需要，負責(zé)處理特

23、定的應(yīng)用程序細節(jié)。一些通用的應(yīng)用程序包括 Telnet 遠程登陸，F(xiàn)tp 文件傳輸協(xié)議，SMTP 簡單郵件傳輸協(xié)議等等。在本設(shè)計的應(yīng)用程序中使用了 Webserver 網(wǎng)頁服務(wù)器的功能，它是通過應(yīng)用程序中的公共網(wǎng)關(guān)接口 CGI 函數(shù)對發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)上的網(wǎng)頁進行數(shù)據(jù)更新以及對終端用戶的操作做出響應(yīng)。 運輸層是為兩臺主機上的應(yīng)用進程提供端到端的通訊服務(wù)。它包括兩個互不相同的協(xié)議，即面向連接的傳輸控制協(xié)議 TCP（Transmission Control Protocol），和無連接的用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議 UDP（User Datagram Protocol）。 網(wǎng)絡(luò)層負責(zé)處理數(shù)據(jù)包或分組在網(wǎng)絡(luò)中的活動，如選

24、擇合適的路由。在TCP/IP 協(xié)議庫中，包括 IP 協(xié)議（網(wǎng)際協(xié)議）、ICMP 協(xié)議（互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議）和IGMP 協(xié)議（互聯(lián)網(wǎng)組管理協(xié)議）。 數(shù)據(jù)鏈路層通常包括操作系統(tǒng)中的設(shè)備驅(qū)動協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)接口卡，主要負責(zé)兩個相鄰節(jié)點間的線路上無差錯地傳輸以幀為單位的數(shù)據(jù)。 例如Netbox這個嵌入式網(wǎng)絡(luò)開發(fā)平臺來說，并不需要完整的 TCP/IP 協(xié)議庫，可以對其進行適當(dāng)?shù)牟眉?，盡量減少所占資源。一些必要的組成部分包括 TCP、IP、ICMP、ARP 以及 RARP。3.2 Web 服務(wù)器 Webserver Web 服務(wù)器主要是用來接收一個來自其它終端的超文本傳輸協(xié)議（HTTP）格式的請求字符串，并依該

25、字符串的要求提供需要的文檔資源。HTTP 實際上是 TCP 協(xié)議的一個端口號固定為 80 的應(yīng)用。傳統(tǒng)的 Web 服務(wù)器只是簡單地提供固定網(wǎng)頁，它實際上是一個文件服務(wù)器。而現(xiàn)在的 Web 服務(wù)器可以根據(jù)每次需求即時更新網(wǎng)頁，或從頭創(chuàng)建網(wǎng)頁，這種功能就是由公共網(wǎng)關(guān)接口 CGI 來實現(xiàn)的。來至其它終端的 HTTP 請求字符信息是經(jīng)過了編碼的，如：GET /cgi-bin/User_1?name=zhu&addr=At+hust。這是一個典型的表單處理請求，信息和文件名是由問號隔開的，每個個體項目之間又由&劃分，而空格則由加號來填充。Web 服務(wù)器必須通過 CGI 函數(shù)理解這些請求，

26、并做出響應(yīng)。對于一般的嵌入式系統(tǒng)來說，CGI 是建立在 Web 服務(wù)器內(nèi)的一個軟件模塊，它可以執(zhí)行存儲在服務(wù)器硬盤上的程序。空閑時，CGI 函數(shù)是處于休眠狀態(tài)的，直到Web 服務(wù)器收到一個網(wǎng)頁請求。這樣一來，Web 服務(wù)器的運行機制可以用下面的一句話來描述：遠端終端通過發(fā)送一個合適的文字請求，便可以在服務(wù)器上運行一個程序，并可以通過傳遞附帶參數(shù)以實現(xiàn)交互式的訪問。3.3 實時多任務(wù)操作系統(tǒng) RTOS 對于 RTOS 的理解應(yīng)從兩方面著手，一是實時性，二是多任務(wù)。實時性不等同于高速性，因為實時性并不是要求程序運行的非常快，反過來，高速系統(tǒng)并不一定具有實時性。實時性是指能對外部事件在限定時間內(nèi)能做

27、出反應(yīng)的性能，有 3 個指標被用來衡量實時性，即響應(yīng)時間、生存時間和吞吐量。響應(yīng)時間是指系統(tǒng)從識別一個外部時間后到系統(tǒng)對此做出相應(yīng)的時間，它是一個十分重要的指標，因為如果系統(tǒng)對外部事件處理不及時就可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。響應(yīng)時間可長可短，對于快速變化的系統(tǒng)，響應(yīng)時間可以達到毫秒、微秒甚至毫微秒以上，而對于慢速變化的系統(tǒng)，幾分鐘甚至更長的相應(yīng)時間也被認為是實時的，這就說明了為什么實時性并不等同于高速性。生存時間是指數(shù)據(jù)的有效等待時間，在這段時間里數(shù)據(jù)是一直有效的。吞吐量是指在限定時間內(nèi)系統(tǒng)能處理的事件總數(shù)。 多任務(wù)系統(tǒng)并不陌生，因為經(jīng)常使用的 Windows 操作系統(tǒng)就是多任務(wù)的，可以一邊寫文檔，一邊

28、聽音樂。但 RTOS 中的任務(wù)概念與計算機操作系統(tǒng)中的任務(wù)有些不同。在計算機操作系統(tǒng)中，任務(wù)是用戶遞交給計算機的一項工作，它可能包括很多進程，而一個進程又可能包括很多線程。在 RTOS 中，一個任務(wù)往往是一個程序分段，該程序分段認為 CPU 是自己獨占的，近似相當(dāng)于一個進程。每個任務(wù)都是應(yīng)用程序的一個組成部分，它們都被賦予一定的任務(wù)優(yōu)先級，都有自己的 CPU 寄存器空間和自己的堆棧空間。一般來講，一個任務(wù)是個無限循環(huán)的程序段，它包括 5 種狀態(tài)，即休眠態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)、等待態(tài)和被中段態(tài)。休眠態(tài)是指任務(wù)還沒被多任務(wù)內(nèi)核所調(diào)度的狀態(tài)。就緒態(tài)是指任務(wù)進入運行態(tài)的所需資源已準備好了，但由于其它原因還

29、沒進入運行態(tài)。運行態(tài)是指任務(wù)掌握了 CPU 控制使用權(quán)，正處于運行當(dāng)中。等待態(tài)是指任務(wù)等待某一事件的發(fā)生，如等待 IO 操作，等待某一信號的到來等等。被中斷態(tài)是指任務(wù)被優(yōu)先級更高的其它任務(wù)所中斷而暫時不能運行了。 大多數(shù)實時多任務(wù)系統(tǒng)都應(yīng)用于嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，如 Netbox。提倡在嵌入式系統(tǒng)上使用 RTOS 是因為要提高系統(tǒng)的可靠性，對于一個監(jiān)控系統(tǒng)來說，最起碼的要求是不死機，這一方面是從硬件設(shè)計上著手，盡量提高系統(tǒng)的抗干擾能力；再一方面就是從軟件編程方面著手。在這里只討論事件驅(qū)動系統(tǒng)的編程問題，所謂事件驅(qū)動系統(tǒng)是指能對外部事件直接響應(yīng)的系統(tǒng)。對于它，至少有 3 種編程方式： (1) 前后臺

30、運行編程方式：后臺是一個循環(huán)輪詢系統(tǒng)一直在運行，前臺是由一些中斷處理過程組成的。當(dāng)有一前臺事件(外部事件)發(fā)生時引起中斷，中斷后臺運行進行前臺處理，處理完成后又回到后臺（通常又稱主程序）。這種編程方式往往是后臺程序是一個很大的查詢循環(huán)，而前臺中斷程序只做很少的工作，它只是處理那些需要快速響應(yīng)的事件，然后向后臺程序設(shè)置一個標志，其它工作再由后臺程序來完成。這種編程方式需要考慮中斷現(xiàn)場的保護和恢復(fù)，以及資源共享與沖突的問題，否則很容是造成死機現(xiàn)象。 (2) 多處理機編程方式：顧名思義，多處理機是指一個系統(tǒng)由一個以上的 CPU 同時工作，這樣可以在每個 CPU 上運行一個任務(wù)就能夠成一個多任務(wù)操作系

31、統(tǒng)。而且這些任務(wù)無論從宏觀上看，還是從微觀上都是并發(fā)進行的，所以它具有真正的并發(fā)性。(3) 實時多任務(wù)編程方式：對于一個復(fù)雜的嵌入式實時系統(tǒng)來說，當(dāng)沒有多 CPU 時，當(dāng)采用中斷處理程序加一個后臺主程序這種軟件結(jié)構(gòu)難以實時的、準確的、可靠的完成時，或存在一些互不相關(guān)的過程需要在一個 CPU 中同時處理時，就需要采用實時多任務(wù)系統(tǒng)。編程時，程序被劃分為多個任務(wù)和多個中斷，每個任務(wù)都是順序執(zhí)行的，但通過實時多任務(wù)的調(diào)度，從宏觀上看，所有任務(wù)都是同時進行的，每個任務(wù)都運行在自己獨立的 CPU 上，而從微觀上來看，不同的任務(wù)共享的是同一 CPU 和相同的資源，在某一時刻也只能有一個任務(wù)在運行，這就是與

32、多處理機的區(qū)別。這種編程方式的優(yōu)點在于： 將復(fù)雜的系統(tǒng)分解成許多相對獨立的小任務(wù)，實行分而治之，從而降低系統(tǒng)的復(fù)雜性； 保證了系統(tǒng)的實時性； 系統(tǒng)的模塊性好，增強了系統(tǒng)的可維護性。 其缺點在于： 需要一些新的軟件設(shè)計方法； 需要使用 RTOS； 需要對每個任務(wù)進行嚴格的劃分。 RTOS 主要完成任務(wù)切換、任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間通信同步、互斥、實時時鐘管理和中斷管理。其中最重要的是任務(wù)切換和任務(wù)調(diào)度。任務(wù)切換又稱為上下文切換，是指把當(dāng)前任務(wù)的所有狀態(tài)保存到它的棧中，將下一個任務(wù)的狀態(tài)從它的棧中恢復(fù)出來所需要的時間。任務(wù)調(diào)度就是指該輪到哪個任務(wù)運行了，多數(shù)實時內(nèi)核都是基于任務(wù)優(yōu)先級的調(diào)度算法的，也就是說

33、實時內(nèi)核總是讓處于就緒態(tài)的具有最高優(yōu)先級的任務(wù)先運行。這里又分為兩種情況，一種是當(dāng)一個低優(yōu)先級的任務(wù)正在運行時，一個高優(yōu)先級的任務(wù)就緒了，這時 CPU 立即中斷低優(yōu)先級任務(wù)的運行，而轉(zhuǎn)讓高優(yōu)先級任務(wù)運行，稱這種為可搶占式實時內(nèi)核；還有一種情況是是當(dāng)一個低優(yōu)先級的任務(wù)正在運行時，一個高優(yōu)先級的任務(wù)就緒了，這時 CPU 并不能馬上中斷低優(yōu)先級任務(wù)的運行，因為它把控制權(quán)完全交給了正在運行的任務(wù)，它只有等到此任務(wù)把控制權(quán)還給 CPU 時，CPU才讓處于就緒態(tài)的最高優(yōu)先級的任務(wù)運行，稱這種為不可搶占式實時內(nèi)核。可見可搶占式實時內(nèi)核的實時性和可靠性要高些，而且大多數(shù)商用 RTOS 都是采用的可搶占式實時內(nèi)

34、核。 從上面的敘述中可得知任務(wù)要被先運行，就必須有高的優(yōu)先級，那么什么樣的任務(wù)才能擁有高的優(yōu)先級呢？這就涉及到任務(wù)優(yōu)先級分配的問題，這里主要討論的是靜態(tài)多任務(wù)調(diào)度算法 RMS（Rate Monotonic Scheduling），它是根據(jù)任務(wù)的執(zhí)行頻率來進行優(yōu)先級分配的，但必須有如下幾個前提條件： 所有任務(wù)都是周期的； 任務(wù)間無需同步、不共享資源、也不交換數(shù)據(jù)； CPU 總是執(zhí)行準備就緒的任務(wù)中優(yōu)先級最高的一個，即必須是可搶占式內(nèi)核。4 結(jié)束語 網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器技術(shù)在不斷發(fā)展的過程中還有難題要解決，針對這些難題，人們提出了四種解決方案：(1) 編寫目錄和標準化工作。對網(wǎng)絡(luò)功能登記造冊并使之標準

35、化。開發(fā)人員必須確保他們的產(chǎn)品符合這些功能組合中的某一種，這種規(guī)范叫 profile。(2) 描述和使用。這一方案認為用戶所需要的是描述一種功能的方法，它可以使這種方法為用戶所使用，而不管它是否已列入目錄。設(shè)備描述語言 DDL 便是其重要工具之一。(3) 應(yīng)用標準化。這一方案源于一直在進行的可編程控制器的標準化工作，IEC1131的第三部分，即試圖為應(yīng)用提供一個編程語言的標準系列。依此類推，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通過開發(fā)通訊原語在不同網(wǎng)絡(luò)間的映射用戶可以將其系統(tǒng)從一個網(wǎng)絡(luò)平臺移到另個網(wǎng)絡(luò)平臺。(4) 目標模式傳感器網(wǎng)絡(luò)。第四種方案以面向?qū)ο蟮脑O(shè)計原理為基礎(chǔ)，在保留實現(xiàn)的開放性細節(jié)的同時保證互可操作性。大量的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計（如 DeviceNet 和 Smart 分布系統(tǒng)）在其規(guī)范中采用了上述概念。從事 Smart 變送器接口標準制定的 IEEE TC/9NIST 專題小組的研究