德國進口Mahle全系列AF6026-025

作者： (河海大學電氣工程學院)徐群,王樹勇 <BR> <BR> 引言</P><P> 在石油化工、水利水電、農田灌溉、環境監測以及自來水廠、污水處理廠等眾多領域，液位(水位)是一個重要的技術參數。目前常用的液位傳感器有：旋轉編碼浮子式傳感器(機械式和光電式)、非接觸式超聲波傳感器、壓力式傳感器、磁浮子接點式傳感器(連續式和液位開關式)等。其分辨率從毫米級到厘米級不等，測量范圍從幾十厘米到幾十米。除磁浮子接點式傳感器外，其余傳感器均比較適合測量范圍較寬的應用場合。一般壓力式和超聲波傳感器均帶有變送部分，即將液位信號轉換成標準電流信號(4~20mA)。旋轉編碼浮子式傳感器分為機械式和光電式兩種，光電式又分為型和增量型。這類傳感器輸出通常為并行二進制碼、串行二進制碼和脈沖信號。除智能型一體化傳感器外(壓力式或超聲波)，一般沒有就地顯示和數字通信功能。</P><P> 對于諸如農田灌溉、環境監測、污水處理等公益性部門，除測量精度、可靠性、可維護、易安裝等技術性能要求外，價格也是直接影響傳感器選用的重要因素之一。為此，我們研制了一種基于磁浮子接點式小量程(≤150cm)就地顯示、并具有RS-485通信接口和4~20mA輸出的廉價液位傳感器。<BR> <BR> 傳感器組成及原理<BR> <BR> 傳感器主要由以1cm間隔均勻分布的干簧管陣列、全密封不銹鋼防護管、球型磁浮子、檢測電路、變送電路及LCD顯示器等組成。其基本原理是檢測干簧管陣列中某一個或幾個干簧管觸點閉合狀態來表示球型磁浮子位置，即液面位置。一般的檢測方法是采用電阻分壓方式，其輸出電壓Vo是第i個閉合干簧管的分壓值。這種測量方法需精確穩定的電源Ve和分壓電阻R，通過適當的變換電路(V/I)，可獲得4~20mA標準電流輸出。但是，如果多個干簧管同時接通，就會影響其分壓電阻比，產生較大的測量誤差。若在測量中產生一個或多個干簧管性導通(干簧管失效)，則測量無法正常進行。為避免這種情況發生，增強傳感器的適應性(現場顯示和通信)，我們結合工程實踐，提出了采用類似鍵盤掃描的一種新檢測方法，有效解決了這一問題。<BR> <BR> 檢測電路由一片89C2051單片機和若干分布在測桿內干簧管陣列電路板上的串—并移位寄存器74HC164構成類似掃描鍵盤陣列電路結構。干簧管位于行和列的交叉點上。</P><P> 通過控制移位寄存器的輸出，使各列依次變為低電平(“0”)狀態，然后檢測各行(P1.0~P1.3)的狀態。如果某行為低電平(“0”)狀態，則該行與處于低電平狀態列的交叉點上的干簧管為閉合狀態，由此就確定了浮子的位置，即液面位置。由于任一干簧管的位置是確定，故對應于任一干簧管的液位也就確定了。</P><P> 變送器電路采用美國AD公司的高性能數模轉換器AD421芯片。其采用Σ-ΔDAC結構，16位分辨率，標準三線串行數據輸入接口，4~20mA電流環路輸出。變送器24V電源經過片內電壓調整電路和調整管(DN25D)，可提供+5V、+3.3V或+3V的外部電路工作電源。同時還能提供+1.25V、+2.5V基準電源。</P><P> 電容C1、C2、C3與片內DAC后時序濾波器相聯，CPU可以在時鐘端CLOCK的上升沿將數據裝入數據端DATA，輸入至內部移位寄存器，在LATCH上升沿鎖存到DAC鎖存器，從而完成數字信號到4~20mA標準電流信號的轉換。<BR> <BR> 軟件設計<BR> <BR> 89C2051內置2K Flash程序存儲器，用來存放用戶程序。程序采用模塊化設計方法，主要包括干簧管接點掃描子程序、液位計算子程序、D/A輸出控制子程序、LCD顯示子程序以及RS-485通信子程序等。干簧管接點掃描子程序通過逐列掃描，按行讀入各干簧管觸點狀態，并將其映射到20H開始的內部數據存儲單元中，其程序如下：<BR> <BR> ；干簧管接點掃描子程序<BR> <BR> SCAN：MOV R7，X；設置循環計數初值=74HC164芯片數×4<BR> <BR> MOV R0，#20H；設置存儲單元指針初值<BR> <BR> CLR P1.5；使74HC164串行輸入為“0”<BR> <BR> NOP</P><P> SCA： CLR P1.4<BR> <BR> NOP</P><P> SETB P1.4；74HC164時鐘輸入端產生一個移位脈沖<BR> <BR> MOV A，P1；讀入行值<BR> <BR> ANL A，#0FH ；保留低4位<BR> <BR> MOV B，A；暫存<BR> <BR> CLR P1.4<BR> <BR> NOP<BR> <BR> SETB P1.4；再移一位(掃描下一列)<BR> <BR> MOV A，P1<BR> <BR> ANL A，#0FH<BR> <BR> SWAP A<BR> <BR> ORL A，B；將相鄰兩列狀態合并成一個字節<BR> <BR> MOV @R0，A；存入映像存儲單元<BR> <BR> INC R0；指向下一映像存儲單元<BR> <BR> DJNZ R7，SCA；循環<BR> <BR> RET；返回<BR> <BR> 由于受磁浮子磁場分布范圍的影響，在相應液面位置上可能會導致相鄰幾個干簧管同時閉合，因此對于各種不同的狀態組合，程序中考慮了不同的處理結果。對于個別干簧管可能出現的性導通，軟件上采用了相應的處理措施，也就是利用接點的變化來確定當前磁浮子的位置(即液位)。</P><P> 結語</P><P> 該傳感器非常適合小量程移位的測量，測量方法簡單，不受環境溫度及個別干簧管性導通的影響，穩定性好，適應性強，安裝方便，維護簡單。因集傳感、變送和通信為一體，易于和計算機檢測與控制系統相連，方便地組成網絡化應用系統，大大降低系統成本，可廣泛應用于水利、環保和農業灌溉等場合。

 上位機主機采用工業PC機，并配備有打印機和大屏幕監視器。上位機系統軟件的主要功能是通過通信網絡實現上位機與下位機間的數據傳輸，以及將下位機實時采集的數據進行各種處理，包括存入數據庫、進行流圖顯示、歷史趨勢圖和棒形圖還有數據表的顯示及各種要求的報表打印輸出。為完成以上功能，上位機系統軟件分成以下六大模塊。各模塊之間相對獨立，單獨開發，但相互之間嚴格按照規定的協議開發，使整個系統軟件模塊結構清晰。 <BR> 　　<BR> 　　 (1)主模塊：主要用于完成對整個系統各子功能的控制及調度。 <BR> 　　<BR> 　　 (2)流程圖顯示功能模塊：主要完成各個工作區域的流程圖和相應參數變化情況的顯示。為了直觀地反應全廠各生產裝置及工藝點的生產運行狀態，使管理人員對各種狀態及信息做到一目了然，特別設計了流程圖顯示及其相應功能模塊。對各罐區按照實際工藝要求顯示其流程圖及相應的參數變化情況。在每程圖的右上方列出了與之相對應的重要參數的當前數據，從而使得顯示更加直觀、信息掌握更加準確簡便。 <BR> 　　<BR> 　　 (3)歷史趨勢及棒形圖顯示模塊：實現歷史生產狀況的趨勢再現和與之對應時間點的棒形圖及數據表格顯示。通過歷史趨勢圖的顯示可以對生產狀況有一個縱向的全面了解。在歷史趨勢的顯示中，為了適應不同的要求，設計了按天顯示和按月顯示，以便更全面準確地了解歷史生產狀況。在顯示過程中，還增加了對應的時間點上的棒圖及數據表格顯示，為用戶提供了多種清晰直觀的選擇，使用更加方便。 <BR> 　　<BR> 　　 (4)數據采集及通信模塊：主要完成通信鏈路的建立及數據采集和傳輸。數據采集及通信是本系統的核心。下位機實時采集的數據只有傳輸到上位機才能被顯示及打印。它有多種顯示及監測功能，以保證數據傳輸的準確性及完整性。 在數據采集及通信中，對每次所采集的數據均進行正確性及完整性檢測，以保證原始數據的正確。通訊的過程是先建立通訊鏈路（即撥通對方的號碼并正確應答），然后再建立數據鏈路。在建立數據鏈路的過程中，通訊雙方要經一系列應答握手，以調整協議及通訊速率，聯絡所使用的數據壓縮及糾檢錯方法，然后才將數據鏈路交由計算機使用。為了保證數據傳輸的正確性，計算機在占用數據鏈路后，仍要與下位機再次“握手聯絡”，將重要的信息作多種處理后再傳至上位機。上位機在接收數據過程中，采用“大數判決”與“否定重發”的方法。 在建立通信鏈路、數據鏈路、握手應答及數據傳輸的整個過程中，軟件設置了多種提示信息，使用戶可在使用中隨時了解當前的通信狀態并進行相應處理。在情況下，如通信線路故障等無法正確建立數據傳輸通道時，系統會自動重試三次，若不成功則退出。 數據傳輸完畢后，要將全部數據按照相應的時間關系存入數據庫文件之中。此時要做大量的數據處理工作，主要是建立隊列式數據文件及時間校準。通過采取以上措施，就能做到數據傳輸時的準確和快速，使用方便。 在設計數據庫的結構時，使用了“數據管道”。將數據文件看作是一個存放數據的管道，數據每次存入，恰如從管道尾端進入管道，而每進入一個新數據，就把管道前端的數據擠出去，此即隊列式文件結構。這樣一來，文件及數據的存取變得相對簡單了，但是這一隊列要有一定的長度（或是說數據管道要有一定的容量），即文件所存放數據的持續時間。根據現場要求，過多的數據保留是不必要的，無用數據大量的積累會導致所謂“數據垃圾”的產生。為此，每小時的歷史數據只保留30天，而每天的綜合數據要保留至少一年，此由月文件及年文件來實現。在文件中，每一個數據結構均包含一個特定的時間信息，代表這組數據在下位機中產生的時刻。使之排列總是按照時間由小到大、由遠至近的順序。 <BR> 　　<BR> 　　 (5)報表打印功能模塊：完成每日、五日以及月報表的打印。 <BR> 　　<BR> 　　 (6)系統設定模塊：主要用于完成對整個系統的顯示設置和安全手段設置?？紤]到在進行歷史曲線顯示時的不同要求及系統安全性，設置了曲線顯示時間間隔設定及密碼設定。這樣使得歷史曲線顯示既可以以小時為單位顯示30天內任意連續24小時的數據，又可以以天為單位顯示365天內任意連續30天的歷史曲線。 在該數據采集處理系統中設置了兩級安全保密措施，*級為開機保密設置，只有系統操作人員及有關機器管理人員才能開機，可有效地阻止無關人員使用機器。第二級為系統進入保密，若要進入本系統進行諸如：數據采集、曲線顯示、報表打印必須經過這一道保密檢查方可，否則系統將退出到安全狀態，直到確認身份為止。這一級只有少數系統管理、決策人員才可進入，有效地提高了系統的安全性。 <BR> 　　 <BR> 　　案例提示 <BR> 　　在自來水行業中使用Witech的產品可以易于維護系統提高了效率，Witech數據采集及通信模塊使系統人員能夠建造一個可靠的、成本劃算的監視、控制和保護系統。 <BR> 　　在本案例中使用到Witech的產品 <BR> 　　工控機箱、工控電源、工控板卡、數據采集及通信模塊、工業鍵盤、LCD顯示器

 串口通信基本接線方法<BR> 　　目前較為常用的串口有9針串口（DB9）和25針串口（DB25），通信距離較近時(<12m)，可以用電纜線直接連接標準RS232端口(RS422,RS485較遠)，若距離較遠，需附加調制解調器（MODEM）。較為簡單且常用的是三線制接法，即地、接收數據和發送數據三腳相連，本文只涉及到較為基本的接法，且直接用RS232相連。<BR> 1.DB9和DB25的常用信號腳說明<BR> 　9針串口（DB9） 25針串口（DB25）<BR> 針號 功能說明 縮寫 針號 功能說明 縮寫<BR> 1 數據載波檢測 DCD 8 數據載波檢測 DCD<BR> 2 接收數據 RXD 3 接收數據 RXD<BR> 3 發送數據 TXD 2 發送數據 TXD<BR> 4 數據終端準備 DTR 20 數據終端準備 DTR<BR> 5 信號地 GND 7 信號地 GND<BR> 6 數據設備準備好 DSR 6 數據準備好 DSR<BR> 7 請求發送 RTS 4 請求發送 RTS<BR> 8 清除發送 CTS 5 清除發送 CTS<BR> 9 振鈴指示 DELL 22 振鈴指示 DELL<BR> 2.RS232C串口通信接線方法（三線制）<BR> 首先，串口傳輸數據只要有接收數據針腳和發送針腳就能實現：同一個串口的接收腳和發送腳直接用線相連，兩個串口相連或一個串口和多個串口相連<BR> · 同一個串口的接收腳和發送腳直接用線相連 對9針串口和25針串口，均是2與3直接相連； <BR> · 兩個不同串口（不論是同一臺計算機的兩個串口或分別是不同計算機的串口） <BR> 上面表格是對微機標準串行口而言的，還有許多非標準設備，如接收GPS數據或電子羅盤數據，只要記住一個原則：接收數據針腳（或線）與發送數據針腳（或線）相連，彼此交叉，信號地對應相接，就能百戰百勝。<BR> 3.串口調試中要注意的幾點：<BR> 串口調試時，準備一個好用的調試工具，如串口調試助手、串口精靈等，有事半功倍之效果； 強烈建議不要帶電插撥串口，插撥時至少有一端是斷電的，否則串口易損壞。 <BR> 單工、半雙工和全雙工的定義<BR> 　如果在通信過程的任意時刻，信息只能由一方A傳到另一方B，則稱為單工。<BR> 如果在任意時刻，信息既可由A傳到B，又能由B傳A，但只能由一個方向上的傳輸存在，稱為半雙工傳輸。<BR> 如果在任意時刻，線路上存在A到B和B到A的雙向信號傳輸，則稱為全雙工。<BR> 線就是二線全雙工信道。 由于采用了回波抵消技術，雙向的傳輸信號不致混淆不清。雙工信道有時也將收、發信道分開，采用分離的線路或頻帶傳輸相反方向的信號，如回線傳輸。<BR> 奇偶校驗<BR> 串行數據在傳輸過程中，由于干擾可能引起信息的出錯，例如，傳輸字符‘E’，其各位為：<BR> 0100，0101=45H<BR> D7 D0<BR> 由于干擾，可能使位變為1，這種情況，我們稱為出現了“誤碼”。我們把如何發現傳輸中的錯誤，叫“檢錯”。發現錯誤后，如何消除錯誤，叫“糾錯”。<BR> 較簡單的檢錯方法是“奇偶校驗”，即在傳送字符的各位之外，再傳送1位奇/偶校驗位。可采用奇校驗或偶校驗。<BR> 奇校驗：所有傳送的數位（含字符的各數位和校驗位）中，“1”的個數為奇數，如：<BR> 1 0110，0101<BR> 0 0110，0001<BR> 偶校驗：所有傳送的數位（含字符的各數位和校驗位）中，“1”的個數為偶數，如：<BR> 1 0100，0101<BR> 0 0100，0001<BR> <BR> 奇偶校驗能夠檢測出信息傳輸過程中的部分誤碼（1位誤碼能檢出，2位及2位以上誤碼不能檢出），同時，它不能糾錯。在發現錯誤后，只能要求重發。但由于其實現簡單，仍得到了廣泛使用。<BR> 有些檢錯方法，具有自動糾錯能力。如循環冗余碼（CRC）檢錯等。 <BR> 串口通訊流控制<BR> 我們在串行通訊處理中，常?？吹絉TS/CTS和XON/XOFF這兩個選項，這就是兩個流控制的選項，目前流控制主要應用于調制解調器的數據通訊中，但對普通RS232編程，了解一點這方面的知識是有好處的。那么，流控制在串行通訊中有何作用，在編制串行通訊程序怎樣應用呢？這里我們就來談談這個問題。 </P><P> 1.流控制在串行通訊中的作用<BR> 這里講到的“流”，當然指的是數據流。數據在兩個串口之間傳輸時，常常會出現丟失數據的現象，或者兩臺計算機的處理速度不同，如臺式機與單片機之間的通訊，接收端數據緩沖區已滿，則此時繼續發送來的數據就會丟失。現在我們在網絡上通過MODEM進行數據傳輸，這個問題就尤為突出。流控制能解決這個問題，當接收端數據處理不過來時，就發出“不再接收”的信號，發送端就停止發送，直到收到“可以繼續發送”的信號再發送數據。因此流控制可以控制數據傳輸的進程，防止數據的丟失。 PC機中常用的兩種流控制是硬件流控制（包括RTS/CTS、DTR/CTS等）和軟件流控制XON/XOFF（繼續/停止），下面分別說明。 </P><P> 2.硬件流控制<BR> 硬件流控制常用的有RTS/CTS流控制和DTR/DSR（數據終端就緒/數據設置就緒）流控制。<BR> 硬件流控制必須將相應的電纜線連上，用RTS/CTS（請求發送/清除發送）流控制時，應將通訊兩端的RTS、CTS線對應相連，數據終端設備（如計算機）使用RTS來起始調制解調器或其它數據通訊設備的數據流，而數據通訊設備（如調制解調器）則用CTS來起動和暫停來自計算機的數據流。這種硬件握手方式的過程為：我們在編程時根據接收端緩沖區大小設置一個高位標志（可為緩沖區大小的75％）和一個低位標志（可為緩沖區大小的25％），當緩沖區內數據量達到高位時，我們在接收端將CTS線置低電平（送邏輯0），當發送端的程序檢測到CTS為低后，就停止發送數據，直到接收端緩沖區的數據量低于低位而將CTS置高電平。RTS則用來標明接收設備有沒有準備好接收數據。<BR> 常用的流控制還有還有DTR/DSR（數據終端就緒/數據設置就緒）。我們在此不再詳述。由于流控制的多樣性，我個人認為，當軟件里用了流控制時，應做詳細的說明，如何接線，如何應用。 </P><P> 3.軟件流控制<BR> 由于電纜線的限制，我們在普通的控制通訊中一般不用硬件流控制，而用軟件流控制。一般通過XON/XOFF來實現軟件流控制。常用方法是：當接收端的輸入緩沖區內數據量超過設定的高位時，就向數據發送端發出XOFF字符（十進制的19或Control-S，設備編程說明書應該有詳細闡述），發送端收到XOFF字符后就立即停止發送數據；當接收端的輸入緩沖區內數據量低于設定的低位時，就向數據發送端發出XON字符（十進制的17或Control-Q），發送端收到XON字符后就立即開始發送數據。一般可以從設備配套源程序中找到發送的是什么字符。<BR> 應該注意，若傳輸的是二進制數據，標志字符也有可能在數據流中出現而引起誤操作，這是軟件流控制的缺陷，而硬件流控制不會有這個問題。

 “在線”<BR> 電路在線維修測試儀中的“在線”一詞，與其他領域中通常使用的“在線”不同，在其他領域中我們通常將“在線”檢測用英語表示為“On-line”。這里所說的“在線”，是“在線路中”的意思，表示不把元器件從電路板上焊下來，直接對電路板上的元器件進行檢測，在英語中用“In-circuit”這個詞可能更確切。但由于歷史原因，目前國內大多數人仍叫“在線測試”。</P><P> 2、 邏輯器件測試速度<BR> 邏輯器件測試速度是指測試儀每秒可向被測器件輸入端施加多少個測試向量（Test Vector），即TV/S，這是衡量測試儀性能的重要指標，速度越快越好，表明測試儀的檔次越高。JQ3000可達610KTV/S（國外測試儀Pinpoint達10MTV/S，QT200達500KTV/S）。該指標應準確、穩定，不隨微機的檔次而變。該指標的主要作用是解決同一型號但不同類型邏輯器件采用同一測試速度有時不能測試成功的問題。</P><P> 3、數字通道驅動電平<BR> 指測試儀的數字通道能支持什么樣的輸入輸出電平。從測試儀的硬件來講，能夠支持全邏輯電平系列數字器件的測試儀肯定比只支持單一電平的測試儀要復雜的多。<BR> JQ系列測試儀可以根據被測器件的需要，將器件輸入輸出端設置成±15V之內的任意電平，允許輸入輸出電平不*，*適合全邏輯電平系列數字器件的測試。<BR> 如果測試儀的輸入輸出電平不可選擇，一般情況下說明測試儀只能適應一種輸入輸出邏輯電平，即TTL電平。換句話說，測試儀是5V的數字通道。<BR> 數字通道所能支持的輸入輸出電平與測試儀所能提供多少個程控輸出電源沒有必然的聯系。</P><P> 4、測試儀的通道數<BR> 測試儀所配置的通道數，決定了所能測試的器件的大管腳數，通道分為數字通道和模擬通道。只有在通道性能指標*相同的情況下，比較通道的多少才有意義，通道數多的肯定價格高。只能支持+5V輸入輸出的數字通道肯定不如支持全邏輯電平的測試儀性能好。</P><P> 5、數字通道大驅動電流<BR> 大驅動電流是指在保證通道驅動電平合乎邏輯電平要求時所能流出或吸入電流大值。該電流值越大，測試儀適應能力越強。一般低檔測試儀的驅動電平在200mA左右。高檔產品均遠在該指標之上。Pinpoint測試儀大750mA，QT200大500mA，JQ3000大400mA。<BR> 用戶可使用公司提供的測試方法檢驗該指標。</P><P> 6、模擬通道掃描電壓<BR> 在所有模擬通道全部開路時，測試儀所能輸出的大電壓值。某些測試儀采用分檔提供輸出電壓，捷聯啟威測試儀提供的輸出電壓為±1V～±28V，0.5V（實際可達0.1V）增量的范圍。用戶使用示波器即可觀察。</P><P> 7、模擬通道的大掃描電流<BR> 掃描電壓處于大值，輸出短路時的電流。在測試集成電路時，一般需要幾毫安到幾十毫安的電流。但用于有一定功率元件的測試時，如果模擬通道只能提供幾毫安到幾十毫安的電流，顯然太小，不能滿足測試要求。測試儀應能提供數百毫安的輸出電流，以滿足功率元器件的測試。<BR> 捷聯啟威測試儀的輸出電流大可達150毫安，能滿足測試具有一定功率的器件的要求，比如功率三極管、可控硅等。<BR> 用戶可使用公司提供的測試方法檢驗該指標。</P><P> 8、模擬通道的掃描頻率<BR> 頻率是指模擬通道每秒可以向被測器件提供多少個掃描波形，能夠提供的頻率越高，測試儀的檔次越高，性能越好。頻率范圍越廣，對容性、感性負載的適應性就越強。<BR> JQ3000通道掃描頻率在掃描分辨率8、16、32、64、128點5檔可選情況下，48hz～41.6khz共30檔可選；<BR> JQ2000在掃描分辨率8、16、32、64、128點5檔可選情況下，48hz～1khz共20檔可選。<BR> 捷聯啟威測試儀模擬通道掃描頻率指標大大高于同類國產測試儀產品，更重要的是曲線失真度小、頻率不隨配接微機的不同而變化，十分穩定、準確，保證了對模擬類器件測試的準確性，保證了ASA測試的可靠性、*性、準確性、可重復性

 其實，嵌入式系統并不是一個新生的事物，從八十年代起，上就有一些IT組織、公司，開始進行商用嵌入式系統和操作系統的研發。這其中涌現了一些的嵌入式系統： </P><P> Windows CE <BR> Microsoft Windows CE是從整體上為有限資源的平臺設計的多線程、完整優先權、多任務的操作系統。它的模塊化設計允許它對于從掌上電腦到的工業控制器的用戶電子設備進行定制。操作系統的基本內核需要至少200K的ROM。 </P><P> VxWorks <BR> VxWorks是目前嵌入式系統領域中使用較廣泛、的系統。它支持多種處理器，如x86、i960、Sun Sparc、Motorola MC68xxx、MIPS RX000、POWER PC等等。大多數的VxWorks API是專有的。采用GNU的編譯和調試器。 </P><P> pSOS <BR> ISI公司已經被WinRiver公司兼并，現在pSOS屬于WindRiver公司的產品。這個系統是一個模塊化、高性能的實時操作系統，專為嵌入式微處理器設計，提供一個*多任務環境，在定制的或是商業化的硬件上提供高性能和高可靠性。可以讓開發者根據操作系統的功能和內存需求定制成每一個應用所需的系統。開發者可以利用它來實現從簡單的單個獨立設備到復雜的、網絡化的多處理器系統。 </P><P> QNX <BR> QNX是一個實時的、可擴充的操作系統，它部分遵循POSIX相關標準，如：POSIX.1b實時擴展。它提供了一個很小的微內核以及一些可選的配合進程。其內核僅提供4種服務：進程調度、進程間通信、底層網絡通信和中斷處理，其進程在獨立的地址空間運行。所有其它OS服務，都實現為協作的用戶進程，因此QNX內核非常小巧(QNX4.x大約為12Kb)而且運行速度極快。這個靈活的結構可以使用戶根據實際的需求，將系統配置成微小的嵌入式操作系統或是包括幾百個處理器的超級虛擬機操作系統。 </P><P> Palm OS <BR> 3Com公司的Palm OS在PDA市場上占有很大的，它有開放的操作系統應用程序接口（API），開發商可以根據需要自行開發所需要的應用程序。 </P><P> OS-9 <BR> Microwave的OS-9是為微處理器的關鍵實時任務而設計的操作系統，廣泛應用于高科技產品中，包括消費電子產品、工業自動化、無線通訊產品、醫療儀器、數字電視/多媒體設備。它提供了很好的安全性和容錯性。與其他的嵌入式系統相比，它的靈活性和可升級性非常突出。 </P><P> LynxOS <BR> Lynx Real-time Systems的LynxOS是一個分布式、嵌入式、可規模擴展的實時操作系統，它遵循POSIX.1a、POSIX.1b和POSIX.1c標準。LynxOS支持線程概念，提供256個全局用戶線程優先級；提供一些傳統的、非實時系統的服務特征；包括基于調用需求的虛擬內存，一個基于Motif的用戶圖形界面，與工業標準兼容的網絡系統以及應用開發工具。 </P><P> </P><P> 圖1 1998-2000年嵌入式操作系統使用趨勢</P><P> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/2004631444658460.jpg" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/2004631444658460.jpg" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A></P><P> 圖2 在未來24個月中打算使用的嵌入式操作系統</P><P> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/2004631454189679.jpg" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/2004631454189679.jpg" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A></P><P> 目前，世面上有很多商業性嵌入式系統都在努力地為自己爭取著嵌入式市場的份額（見圖1）。但是，這些操作系統均屬于商業化產品，價格昂貴；而且，由于它們各自的源代碼不公開，使得每個系統上的應用軟件與其它系統都無法兼容。并且，由于這種封閉性還導致了商業嵌入式系統在對各種設備的支持方面存在很大的問題，使得對它們的軟件移植變得很困難。在嵌入式這個IT產業的新的關鍵領域，Linux操作系統適時地出現在了國家和國內各嵌入式廠商面前，由于Linux自身諸多優勢，吸引了許多開發商的目光，成為嵌入式操作系統的新寵（見圖2）。它的出現無疑為國家發展嵌入式操作系統事業提供了一個極有吸引力的機會。

  開發階段的調制方法</P><P> 1.1 RAM版本的目標系統調試</P><P> 通過ICE（In-Circuit-Emulate）來調試目標板是開發人員較常用的手段。在產品開發初<BR> 期，由于各種軟件和硬件問題很多，通過仿真器并結合邏輯分析儀、示波器等硬件信號測<BR> 試工具能夠很好地發現問題。</P><P> 在仿真器環境下，通過仿真器的監控軟件來控制用戶軟件的運行，使用斷點、單步跟蹤和<BR> 查看變量、CPU寄存器、存儲器的數值等手段來查找問題。由于仿真器的軟件和硬件需要<BR> 一定的CPU資源，用戶軟件在仿真器環境下運行和脫離仿真器后獨立運行是有區別的。好<BR> 的仿真器能夠盡量減小這<BR> 種區別。常見的仿真器從技術上區分有：單CPU仿真器、雙CPU仿真器和ROM仿真器。</P><P> 在仿真器環境下，程序一般是在仿真器的RAM存儲器中運行的，所以這種階段也稱為“RA<BR> M版本的目標系統調試”。</P><P> 1.2 ROM版本的目標系統調試</P><P> 在仿真器環境下，目標板運行調試正確后，一般的做法是將應用程序寫入目標板的非易失<BR> 性存儲器中，讓目標板單獨運行。在很多情況下，目標板系統往往不能運行或者運行結果<BR> 和仿真器環境下不*。而沒有連接仿真器，無法觀察各種軟件狀態，給分析問題造成一<BR> 定困難。在目標板上設<BR> 計指示電路有助于發現問題；在電路板上增加1個LED是較簡單也是很有效的方法。對于復<BR> 雜系統，可以設計1個數碼管顯示輸出接口，或者設計1個調試用串口，將調試信息發送到<BR> PC機上顯示。</P><P> 在使用PC機作為顯示輸出設備時，一般的做法是使用Winodws自帶的超級終端軟件，無需<BR> 另外編制程序。和前二種方法相比，該方法的接口信號是雙向的，調試者可以通過PC機輸<BR> 入信息到目標板中，設定顯示信息的類別。這一點，對于復雜系統的調試是很有價值的，<BR> CISCO公司的很多路由器<BR> 產品就使用這種方法來維護和調試。</P><P> 2 生產階段的測試方法</P><P> 生產階段的測試只是對硬件電路或者系統進行測試。測試目的是為了對產品或者部件進行<BR> 分檢，找出有缺陷的產品。測試內容包括：</P><P> *裸板測試——檢查未安裝元器件的電路板上的開路和短路缺陷；</P><P> *成品生產缺陷分析——檢查已安裝元器件的電路板上焊點的短路和開路缺陷；</P><P> *成品電氣性能測試——認證每個單元器件的上電運作；</P><P> *產品功能測試——認證電路模塊的功能。</P><P> 生產測試和開發階段的硬件測試不同，需要測試方法快速、能成批測試，易于在制造生產<BR> 線上安裝。在生產的不同階段使用的測試工具和技術也不相同。目前常用的測試工具和技<BR> 術有：人工視覺檢查（MVI）、在線測試（ICT）、自動光學測試（AOI）、自動X射線測試<BR> （AXI）。其中人工視 <BR> 醪饈裕∕VI）只能用于小批量試制產品。</P><P> 在線測試（ICT）是較常用的一種線路板測試方法：使用專門的針床與已焊接好的線路板<BR> 上的元器件接觸，通過針床在線路板上施加微小電壓來測試線路通斷、元件是否正確安裝<BR> 。由于需要為特定電路板設計夾具，適合于單一品種民用型家電線路板極大規模生產<BR> 的測試；缺點是在高密 <BR> 鵲腟MT線路板測試困難。目前的替代解決辦法是使用光學方法測試（如AOI，AXI），或者<BR> 使用邊界掃描技術（即基于IEEE1394標準的JTAG測試接口）測試。后者需要IC或者線路板<BR> 支持此技術。</P><P> 功能測試是生產過程的后階段使用，測試線路板或者系統的功能指標，一般的功能測試<BR> 需要設計測試設備和測試軟件。</P><P> 3 現場測試技術</P><P> 現場測試分為三種情況：一種是在線測試，測試設備不停止運行；一種是停機測試，被測<BR> 試設備停止運行；第三種為脫機測試，將被測部件從運行現場取出，放到的測試裝備<BR> 上進行測試。從測試技術角度上說，后二者更容易進行各種測試；對于復雜系統來說，往<BR> 往故障和問題需要在設<BR> 備運行時才能發現和定位，必須進行在線測試。究竟采取哪種方式進行現場測試，取決于<BR> 故障狀況和實際應用是否允許立即停機。</P><P> 開發階段產品和成熟產品的現場測試要求也不同：前者測試目的主要是發現設計中的問題<BR> ，由產品開發人員進行；后者側重于發現使用中的問題和失效的部件，目的是更換部件，<BR> 由產品使用人員進行。（但測試方法和步驟也有可能是設計人員制定的。）</P><P> 現場測試和試驗室測試的大區別就是測試設備難以安裝和連接：線路板封閉在機箱中，<BR> 測試信號線很難引入，即使設備外殼上留有測試插座，測試信號線也需要很長，傳統的在<BR> 線仿真器在現場測試中無法使用。另一方面，現場往往沒有實驗室里的各種測試儀器和設<BR> 備，因此，必須有更好<BR> 的方法和手段來完成測試。</P><P> 嵌入式處理器中目前有很多芯片具有類似Motorola公司683XX系列處理器的BDM調試接<BR> 口（詳見第5部分）。這種接口是串行的，處理器內部固化了調試微碼，為現場測試 <BR> 帶來了方便。對于不具備這種接口的嵌入式計算系統，在系統設計時將關鍵信號點引出到<BR> 一個測試接口插座上，通過該插座可輸入測試激勵信號和觀察輸出信號；對于軟件測試，<BR> 可使用前文中所述的ROM板測試方法，外接顯示部件來觀察程序運行情況。</P><P> 軟件現場調試的另外一個要求是程序應能夠現場下載，以便在發現問題后能夠修改軟件。<BR> 現場在線下載程序的方法有兩種：一種是使用具有ISP功能的處理（如Philips公司的P89<BR> C51RD系列MCU等），另一種方案是將軟件設計成兩部分，一部分是應用功能軟件，另一部<BR> 分是完成前者下載到系 <BR> 持械南略贗ㄐ湃砑Ｎ蘼勰鬧址椒?，下载掉[骰荘C機。如果需要達到遠程調試和下<BR> 載的目的，則要使用后一種方案。例如，在Echelon公司的Lonwork現場總線產品中，每個<BR> 節點中的程序均可以通過網絡下載，這種功能為多節點網絡系統的現場調試帶來了極大方<BR> 便。</P><P> 4 可測試性設計</P><P> 在產品開發初期，產品測試的目的是驗證產品設計的正確性，而可測試性部件的存在則能<BR> 加快測試速度，縮短產品開發周期；在生產階段，通過測試來剔除有缺陷的產品和部件；<BR> 在使用階段，測試則用于故障定位，找出失效的部件并更換或者維修?？梢姡a品的測試<BR> 在產品生命周期各階段<BR> 均有十分重要的作用?？蓽y試性設計應該在產品設計初期就加以考慮，結合測試在不同階<BR> 段的作用來設計測試模塊和接口。</P><P> 產品的可測試性設計要考慮的問題有：測試的目的、測試部件的位置、測試部件的基本要<BR> 素、內置測試部件與外部測試設備儀器之間的電氣和機械連接，添加測試部件對被測模塊<BR> 功能和性能的影響、測試部件的成本以及何時使用測試功能等。</P><P> 如前所述，測試在產品不同階段是有差別的。在產品開發階段，很多參數需要定量和詳細<BR> 地進行測試，以驗證產品在各種不同情況下是否能正常工作；測試參數，測試點較多，可<BR> 以方便地連接各種外部測試儀器，也不需要考慮添加測試部件所帶來的附加成本。在產品<BR> 生產和使用階段，測試<BR> 的節點和參數數量也相對減少，測試一般是定性的，無需借助于外部設備的自測試，成本<BR> 因素也必須考慮。</P><P> 測試部件一般位于被測部件的接口和邊界位置上，如圖上所示，用于產品控制被測部件的<BR> 激勵信號和采樣被測部件的輸出信號。測試部件一般由測試信號源、信號傳輸通道、測試<BR> 觀察裝置等組成。測試部件可以*包含在被測部件中，也可部分位于外部（如外接信號<BR> 源和示波器等）。對于<BR> 自動測試，測試部件還包括被測部件的預期輸出存儲部件比較部分。</P><P> 在一個系統中，如何劃分模塊，確定測試位置（即模塊的邊界）是關系到可測試性設計是<BR> 否合理的首要問題。模塊間小相關原則和模塊內小相似原則是兩個重要依據：前者保<BR> 證測試可以獨立進行，不需要很多其它模塊的配合；后者可以使測試能正確反映被測模塊<BR> 的大部分工況，不至于<BR> 漏測很多工作狀態。</P><P> 很多情況下，從被測模塊的邊界直接引出信號有困難，測試信號需要經過其它模塊引入到<BR> 被測模塊上。如果作為信號路徑的模塊對信號特征沒有改變，則稱這種測試路徑是透明的<BR> ，路徑模塊必須能在旁路模式和正常工作模式之間切換，實現起來有局限性。對于硬件來<BR> 說，較簡單的透明路徑<BR> 是使用跳線。</P><P> 對于簡單嵌入式系統來說，測試一般包括上電自測試和人為測試。后者在故障出現時進行<BR> 。對于復雜系統來說，還包括定時自動測試，比如在大型程控交換機和飛機機載電子設備<BR> 的運行過程中，均定時進行自檢。</P><P> 可測試性設計還應考慮測試功能所使用對象的不同。產品設計人員、產品使用人員和產品<BR> 維護人員對測試內容的要求是同的，需要進行分層次的可測試性設計。</P><P> 對于硬件和系統的可測試性設計已有IEEE1149.1/4/5等標準可以借鑒，對于單純的軟件測<BR> 試，目前尚無具體和統一的標準，只有諸如代碼格式分析、白盒測試、黑盒測試、覆蓋測<BR> 試等測試方法。軟件測試的途徑有兩個。一是在源代碼中增加大量測試代碼，使用條件編<BR> 譯指令來控制形成調試<BR> 、測試和終發布等不同版本。調測版本的代碼規模要比終的發布版本大很多，在問題<BR> 解決后，一般將臨時性測試代碼通過編譯開關屏蔽。另外一個軟件測試途徑是使用的<BR> 測試軟件（如法國Telelogic公司的LOGISCOPE測試工具），這些測試軟件能完成諸如覆蓋<BR> 測試、代碼格式分析等<BR> 功能，但均是針對特定的語言和操作系統環境，使用上一些限制。</P><P> 還需要說明的就是“可觀測”設計的概念。可觀測性和可測試性不同，不需要加入激勵信<BR> 號，只觀察系統運行中某些內部狀態，比如軟件中某個重要變量的數值變化，硬件電路中<BR> 某個IC引腳的信號電平等。在設計中，應該保留這些觀察接口，以便需要時用它來判斷和<BR> 分析系統的問題。一個<BR> 可測試的系統，一定是可觀測的，反之則不然。設計可測試性系統的目的是為了以后修改<BR> 和改進設計，而使系統具有可觀測性則是為了維護系統，判斷哪個是出故障的部件，以便<BR> 更換?？蓽y試性設計一般用于新產品，而可觀測性設計用于成熟產品。當然，在結構、安<BR> 裝條件和成本允許的情<BR> 況下，成熟產品也應具有可測試性。實際上，由于處理器技術和芯片的日新月異，已經不<BR> 存在真正意義上的成熟產品了。</P><P> 在一類產品中的可測試性設計應該具有*性，例如，用紅色LED表示電源狀態，所有電<BR> 路板均應采用紅色LED，點亮的頻率也應該*。作為企業，應制定相關的測試接口標準<BR> ，并且這些標準應符合行業習慣或者行業標準。</P><P> 5 測試和調試接口標準</P><P> 測試和調試接口標準：JTAG和BDM。</P><P> 5.1 背景調試模式</P><P> 在使用傳統的ICE來調試時，使用ICE中的CPU來取代目標板中的CPU，目標板和ICE之間使<BR> 用多芯扁平電纜來連接，而ICE在使用時一般還需要縮主機（一般來PC）來連接。</P><P> 在一些微處理器內部已經包含了用于調試的微碼，調試時仿真器軟件和目標板上的C<BR> PU的調試微碼通信，目標板 <BR> 上的CPU無需取出。由于軟件調試指令無需經過一段扁平電纜來控制目標板，避免了高頻<BR> 操作限制、交流和直流的不匹配以及調試線纜的電阻影響等問題。這種調試模式在Motor<BR> ola公司產品68300系列中被稱為背景調試模式BDM（Background Debug <BR> Mode）。在仿真器和目標之間使用8芯（或者10芯）的BDM接口來連接，其他公司的嵌入式<BR> 處理器也有類似功能，不過叫法不同，例如AMD公司在其X86微處理器上提供“AMDebug”<BR> 的調試接口。</P><P> <BR> 實際上，BDM相當于將ICE仿真器軟件和硬件內置在處理器，這使得我們直接使用PC機的并<BR> 口來調試軟件，不再需要ICE硬件，大大節約了汽油發成本。一些調試器供應商也提供這<BR> 種軟件產品（如XRAY）。對于用戶來說，為了調試一些特定問題，可以直接使用BDM命令<BR> 來調試目標系統，以彌補<BR> 商業調試軟件的不足。</P><P> BDM接口有8根信號線，也有為10根信號線的，如圖2所示。調試軟件通過4腳使CPU進入背<BR> 景調試模式，調試命令的串行信號則8通過腳輸入,同時4腳輸入信號步時鐘，而CPU中的微<BR> 碼在執行命令后會在10腳輸出調試結果指示信號?？梢?，BDM接口引線由并口和PC機相連<BR> ，調試命令則是通過串行<BR> 方式輸入的。</P><P> 目前在CPU內置的調試接口和微碼方面，各廠家尚無統一標準。處理器廠家、工具開發公<BR> 司和儀器制造商曾于1998年組成了Nexus 5001 Forum(Nexus 5001論壇)，成員包括Motor<BR> ola、Infineon <BR> Technologies、日立、ETAS和惠普公司等，正致力于制定一個統一的片上通用調試接口。<BR> 這方面的進一步情況可查閱</P><P> 5.2 邊界掃描測試技術和JTAG接口</P><P> 邊界掃描測試技術（Boundary-Scan Test Architecture）屬于一種可測試性設計。其基本思想是在芯片引腳和芯片內部邏輯之間（即芯片邊界位置）增加串行連接的邊界掃描測試單元，實現對芯片引腳狀態的設定和讀取 ，使芯片引腳狀態具有可控性和可觀測性。</P><P> 邊界掃描測試技術初由各大半導體公司（Philips、IBM、Intel等）成立的聯全測試行<BR> 動小組JTAG（Join Test Action Group）于1988年提出，1990年被IEEE規定為電子產品可測試性設計的標準（IEEE1149.1/2/3）。目前，該標準已被一些大規模集成電路所采用（如DSP、CPU、FPGA等），而訪問 邊界掃描測試電路的接口信號定義標準被稱為JTAG接口，很多嵌入式處理器內置了這種測 試接口。在Cygnal公司腃8051F000系列單片機中和一些FPGA芯片中，JTAG接口不僅能用于測試，也是器件的編程<BR> 接口。</P><P> IEEE1149.1標準支持以下3種測試功能：</P><P> *內部測試——IC內部的邏輯測試；</P><P> *外部測試——IC間相互連接的測試；</P><P> *取樣測試——IC正常運行時的數據取樣測試。</P><P> 圖3給出了具有2個芯片的系統的邊界掃描測試原理。</P><P> 圖3中，TCK為測試同步時鐘輸入，TMS為測試模式選中輸入，TDI為測試數據輸入，TDO為<BR> 測試數據輸出，由測試移位寄存器產品。圖3中的小方框表示位于芯片外圍的邊界掃描測<BR> 試邏輯單元，芯片每個引腳信號經過邊界掃描單元和內部的功能單元相連接。</P><P> 目前，邊界掃描技術的應用主要在數字IC的測試上，這種設計思想也可用于模擬系統、板<BR> 級測試甚至系統測試上。IEEE也制定了和IEEE1149.1相類似的標準IEEE P1149.4（數模混<BR> 合信號測試總線標準）、IEEE 1149.5（電路板測試和維護總線標準）

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