B1C-T 德国进口JENOPTIK全系列ZDB503,E339412-011

德国进口JENOPTIK全系列ZDB503,E339412-011

作者： (河海大学电气工程学院)徐群,王树勇 <BR> <BR> 引言</P><P> 在石油化工、水利水电、农田灌溉、环境监测以及自来水厂、污水处理厂等众多领域，液位(水位)是一个重要的技术参数。目前常用的液位传感器有：旋转编码浮子式传感器(机械式和光电式)、非接触式超声波传感器、压力式传感器、磁浮子接点式传感器(连续式和液位开关式)等。其分辨率从毫米级到厘米级不等，测量范围从几十厘米到几十米。除磁浮子接点式传感器外，其余传感器均比较适合测量范围较宽的应用场合。一般压力式和超声波传感器均带有变送部分，即将液位信号转换成标准电流信号(4~20mA)。旋转编码浮子式传感器分为机械式和光电式两种，光电式又分为型和增量型。这类传感器输出通常为并行二进制码、串行二进制码和脉冲信号。除智能型一体化传感器外(压力式或超声波)，一般没有就地显示和数字通信功能。</P><P> 对于诸如农田灌溉、环境监测、污水处理等公益性部门，除测量精度、可靠性、可维护、易安装等技术性能要求外，价格也是直接影响传感器选用的重要因素之一。为此，我们研制了一种基于磁浮子接点式小量程(≤150cm)就地显示、并具有RS-485通信接口和4~20mA输出的廉价液位传感器。<BR> <BR> 传感器组成及原理<BR> <BR> 传感器主要由以1cm间隔均匀分布的干簧管阵列、全密封不锈钢防护管、球型磁浮子、检测电路、变送电路及LCD显示器等组成。其基本原理是检测干簧管阵列中某一个或几个干簧管触点闭合状态来表示球型磁浮子位置，即液面位置。一般的检测方法是采用电阻分压方式，其输出电压Vo是第i个闭合干簧管的分压值。这种测量方法需精确稳定的电源Ve和分压电阻R，通过适当的变换电路(V/I)，可获得4~20mA标准电流输出。但是，如果多个干簧管同时接通，就会影响其分压电阻比，产生较大的测量误差。若在测量中产生一个或多个干簧管性导通(干簧管失效)，则测量无法正常进行。为避免这种情况发生，增强传感器的适应性(现场显示和通信)，我们结合工程实践，提出了采用类似键盘扫描的一种新检测方法，有效解决了这一问题。<BR> <BR> 检测电路由一片89C2051单片机和若干分布在测杆内干簧管阵列电路板上的串—并移位寄存器74HC164构成类似扫描键盘阵列电路结构。干簧管位于行和列的交叉点上。</P><P> 通过控制移位寄存器的输出，使各列依次变为低电平(“0”)状态，然后检测各行(P1.0~P1.3)的状态。如果某行为低电平(“0”)状态，则该行与处于低电平状态列的交叉点上的干簧管为闭合状态，由此就确定了浮子的位置，即液面位置。由于任一干簧管的位置是确定，故对应于任一干簧管的液位也就确定了。</P><P> 变送器电路采用美国AD公司的高性能数模转换器AD421芯片。其采用Σ-ΔDAC结构，16位分辨率，标准三线串行数据输入接口，4~20mA电流环路输出。变送器24V电源经过片内电压调整电路和调整管(DN25D)，可提供+5V、+3.3V或+3V的外部电路工作电源。同时还能提供+1.25V、+2.5V基准电源。</P><P> 电容C1、C2、C3与片内DAC后时序滤波器相联，CPU可以在时钟端CLOCK的上升沿将数据装入数据端DATA，输入至内部移位寄存器，在LATCH上升沿锁存到DAC锁存器，从而完成数字信号到4~20mA标准电流信号的转换。<BR> <BR> 软件设计<BR> <BR> 89C2051内置2K Flash程序存储器，用来存放用户程序。程序采用模块化设计方法，主要包括干簧管接点扫描子程序、液位计算子程序、D/A输出控制子程序、LCD显示子程序以及RS-485通信子程序等。干簧管接点扫描子程序通过逐列扫描，按行读入各干簧管触点状态，并将其映射到20H开始的内部数据存储单元中，其程序如下：<BR> <BR> ；干簧管接点扫描子程序<BR> <BR> SCAN：MOV R7，X；设置循环计数初值=74HC164芯片数×4<BR> <BR> MOV R0，#20H；设置存储单元指针初值<BR> <BR> CLR P1.5；使74HC164串行输入为“0”<BR> <BR> NOP</P><P> SCA： CLR P1.4<BR> <BR> NOP</P><P> SETB P1.4；74HC164时钟输入端产生一个移位脉冲<BR> <BR> MOV A，P1；读入行值<BR> <BR> ANL A，#0FH ；保留低4位<BR> <BR> MOV B，A；暂存<BR> <BR> CLR P1.4<BR> <BR> NOP<BR> <BR> SETB P1.4；再移一位(扫描下一列)<BR> <BR> MOV A，P1<BR> <BR> ANL A，#0FH<BR> <BR> SWAP A<BR> <BR> ORL A，B；将相邻两列状态合并成一个字节<BR> <BR> MOV @R0，A；存入映像存储单元<BR> <BR> INC R0；指向下一映像存储单元<BR> <BR> DJNZ R7，SCA；循环<BR> <BR> RET；返回<BR> <BR> 由于受磁浮子磁场分布范围的影响，在相应液面位置上可能会导致相邻几个干簧管同时闭合，因此对于各种不同的状态组合，程序中考虑了不同的处理结果。对于个别干簧管可能出现的性导通，软件上采用了相应的处理措施，也就是利用接点的变化来确定当前磁浮子的位置(即液位)。</P><P> 结语</P><P> 该传感器非常适合小量程移位的测量，测量方法简单，不受环境温度及个别干簧管性导通的影响，稳定性好，适应性强，安装方便，维护简单。因集传感、变送和通信为一体，易于和计算机检测与控制系统相连，方便地组成网络化应用系统，大大降低系统成本，可广泛应用于水利、环保和农业灌溉等场合。

 上位机主机采用工业PC机，并配备有打印机和大屏幕监视器。上位机系统软件的主要功能是通过通信网络实现上位机与下位机间的数据传输，以及将下位机实时采集的数据进行各种处理，包括存入数据库、进行流图显示、历史趋势图和棒形图还有数据表的显示及各种要求的报表打印输出。为完成以上功能，上位机系统软件分成以下六大模块。各模块之间相对独立，单独开发，但相互之间严格按照规定的协议开发，使整个系统软件模块结构清晰。 <BR> 　　<BR> 　　 (1)主模块：主要用于完成对整个系统各子功能的控制及调度。 <BR> 　　<BR> 　　 (2)流程图显示功能模块：主要完成各个工作区域的流程图和相应参数变化情况的显示。为了直观地反应全厂各生产装置及工艺点的生产运行状态，使管理人员对各种状态及信息做到一目了然，特别设计了流程图显示及其相应功能模块。对各罐区按照实际工艺要求显示其流程图及相应的参数变化情况。在每程图的右上方列出了与之相对应的重要参数的当前数据，从而使得显示更加直观、信息掌握更加准确简便。 <BR> 　　<BR> 　　 (3)历史趋势及棒形图显示模块：实现历史生产状况的趋势再现和与之对应时间点的棒形图及数据表格显示。通过历史趋势图的显示可以对生产状况有一个纵向的全面了解。在历史趋势的显示中，为了适应不同的要求，设计了按天显示和按月显示，以便更全面准确地了解历史生产状况。在显示过程中，还增加了对应的时间点上的棒图及数据表格显示，为用户提供了多种清晰直观的选择，使用更加方便。 <BR> 　　<BR> 　　 (4)数据采集及通信模块：主要完成通信链路的建立及数据采集和传输。数据采集及通信是本系统的核心。下位机实时采集的数据只有传输到上位机才能被显示及打印。它有多种显示及监测功能，以保证数据传输的准确性及完整性。 在数据采集及通信中，对每次所采集的数据均进行正确性及完整性检测，以保证原始数据的正确。通讯的过程是先建立通讯链路（即拨通对方的号码并正确应答），然后再建立数据链路。在建立数据链路的过程中，通讯双方要经一系列应答握手，以调整协议及通讯速率，联络所使用的数据压缩及纠检错方法，然后才将数据链路交由计算机使用。为了保证数据传输的正确性，计算机在占用数据链路后，仍要与下位机再次“握手联络”，将重要的信息作多种处理后再传至上位机。上位机在接收数据过程中，采用“大数判决”与“否定重发”的方法。 在建立通信链路、数据链路、握手应答及数据传输的整个过程中，软件设置了多种提示信息，使用户可在使用中随时了解当前的通信状态并进行相应处理。在情况下，如通信线路故障等无法正确建立数据传输通道时，系统会自动重试三次，若不成功则退出。 数据传输完毕后，要将全部数据按照相应的时间关系存入数据库文件之中。此时要做大量的数据处理工作，主要是建立队列式数据文件及时间校准。通过采取以上措施，就能做到数据传输时的准确和快速，使用方便。 在设计数据库的结构时，使用了“数据管道”。将数据文件看作是一个存放数据的管道，数据每次存入，恰如从管道尾端进入管道，而每进入一个新数据，就把管道前端的数据挤出去，此即队列式文件结构。这样一来，文件及数据的存取变得相对简单了，但是这一队列要有一定的长度（或是说数据管道要有一定的容量），即文件所存放数据的持续时间。根据现场要求，过多的数据保留是不必要的，无用数据大量的积累会导致所谓“数据垃圾”的产生。为此，每小时的历史数据只保留30天，而每天的综合数据要保留至少一年，此由月文件及年文件来实现。在文件中，每一个数据结构均包含一个特定的时间信息，代表这组数据在下位机中产生的时刻。使之排列总是按照时间由小到大、由远至近的顺序。 <BR> 　　<BR> 　　 (5)报表打印功能模块：完成每日、五日以及月报表的打印。 <BR> 　　<BR> 　　 (6)系统设定模块：主要用于完成对整个系统的显示设置和安全手段设置。考虑到在进行历史曲线显示时的不同要求及系统安全性，设置了曲线显示时间间隔设定及密码设定。这样使得历史曲线显示既可以以小时为单位显示30天内任意连续24小时的数据，又可以以天为单位显示365天内任意连续30天的历史曲线。 在该数据采集处理系统中设置了两级安全保密措施，*级为开机保密设置，只有系统操作人员及有关机器管理人员才能开机，可有效地阻止无关人员使用机器。第二级为系统进入保密，若要进入本系统进行诸如：数据采集、曲线显示、报表打印必须经过这一道保密检查方可，否则系统将退出到安全状态，直到确认身份为止。这一级只有少数系统管理、决策人员才可进入，有效地提高了系统的安全性。 <BR> 　　 <BR> 　　案例提示 <BR> 　　在自来水行业中使用Witech的产品可以易于维护系统提高了效率，Witech数据采集及通信模块使系统人员能够建造一个可靠的、成本划算的监视、控制和保护系统。 <BR> 　　在本案例中使用到Witech的产品 <BR> 　　工控机箱、工控电源、工控板卡、数据采集及通信模块、工业键盘、LCD显示器

 串口通信基本接线方法<BR> 　　目前较为常用的串口有9针串口（DB9）和25针串口（DB25），通信距离较近时(<12m)，可以用电缆线直接连接标准RS232端口(RS422,RS485较远)，若距离较远，需附加调制解调器（MODEM）。较为简单且常用的是三线制接法，即地、接收数据和发送数据三脚相连，本文只涉及到较为基本的接法，且直接用RS232相连。<BR> 1.DB9和DB25的常用信号脚说明<BR> 　9针串口（DB9） 25针串口（DB25）<BR> 针号 功能说明 缩写 针号 功能说明 缩写<BR> 1 数据载波检测 DCD 8 数据载波检测 DCD<BR> 2 接收数据 RXD 3 接收数据 RXD<BR> 3 发送数据 TXD 2 发送数据 TXD<BR> 4 数据终端准备 DTR 20 数据终端准备 DTR<BR> 5 信号地 GND 7 信号地 GND<BR> 6 数据设备准备好 DSR 6 数据准备好 DSR<BR> 7 请求发送 RTS 4 请求发送 RTS<BR> 8 清除发送 CTS 5 清除发送 CTS<BR> 9 振铃指示 DELL 22 振铃指示 DELL<BR> 2.RS232C串口通信接线方法（三线制）<BR> 首先，串口传输数据只要有接收数据针脚和发送针脚就能实现：同一个串口的接收脚和发送脚直接用线相连，两个串口相连或一个串口和多个串口相连<BR> · 同一个串口的接收脚和发送脚直接用线相连 对9针串口和25针串口，均是2与3直接相连； <BR> · 两个不同串口（不论是同一台计算机的两个串口或分别是不同计算机的串口） <BR> 上面表格是对微机标准串行口而言的，还有许多非标准设备，如接收GPS数据或电子罗盘数据，只要记住一个原则：接收数据针脚（或线）与发送数据针脚（或线）相连，彼此交叉，信号地对应相接，就能百战百胜。<BR> 3.串口调试中要注意的几点：<BR> 串口调试时，准备一个好用的调试工具，如串口调试助手、串口精灵等，有事半功倍之效果； 强烈建议不要带电插拨串口，插拨时至少有一端是断电的，否则串口易损坏。 <BR> 单工、半双工和全双工的定义<BR> 　如果在通信过程的任意时刻，信息只能由一方A传到另一方B，则称为单工。<BR> 如果在任意时刻，信息既可由A传到B，又能由B传A，但只能由一个方向上的传输存在，称为半双工传输。<BR> 如果在任意时刻，线路上存在A到B和B到A的双向信号传输，则称为全双工。<BR> 线就是二线全双工信道。 由于采用了回波抵消技术，双向的传输信号不致混淆不清。双工信道有时也将收、发信道分开，采用分离的线路或频带传输相反方向的信号，如回线传输。<BR> 奇偶校验<BR> 串行数据在传输过程中，由于干扰可能引起信息的出错，例如，传输字符‘E’，其各位为：<BR> 0100，0101=45H<BR> D7 D0<BR> 由于干扰，可能使位变为1，这种情况，我们称为出现了“误码”。我们把如何发现传输中的错误，叫“检错”。发现错误后，如何消除错误，叫“纠错”。<BR> 较简单的检错方法是“奇偶校验”，即在传送字符的各位之外，再传送1位奇/偶校验位。可采用奇校验或偶校验。<BR> 奇校验：所有传送的数位（含字符的各数位和校验位）中，“1”的个数为奇数，如：<BR> 1 0110，0101<BR> 0 0110，0001<BR> 偶校验：所有传送的数位（含字符的各数位和校验位）中，“1”的个数为偶数，如：<BR> 1 0100，0101<BR> 0 0100，0001<BR> <BR> 奇偶校验能够检测出信息传输过程中的部分误码（1位误码能检出，2位及2位以上误码不能检出），同时，它不能纠错。在发现错误后，只能要求重发。但由于其实现简单，仍得到了广泛使用。<BR> 有些检错方法，具有自动纠错能力。如循环冗余码（CRC）检错等。 <BR> 串口通讯流控制<BR> 我们在串行通讯处理中，常常看到RTS/CTS和XON/XOFF这两个选项，这就是两个流控制的选项，目前流控制主要应用于调制解调器的数据通讯中，但对普通RS232编程，了解一点这方面的知识是有好处的。那么，流控制在串行通讯中有何作用，在编制串行通讯程序怎样应用呢？这里我们就来谈谈这个问题。 </P><P> 1.流控制在串行通讯中的作用<BR> 这里讲到的“流”，当然指的是数据流。数据在两个串口之间传输时，常常会出现丢失数据的现象，或者两台计算机的处理速度不同，如台式机与单片机之间的通讯，接收端数据缓冲区已满，则此时继续发送来的数据就会丢失。现在我们在网络上通过MODEM进行数据传输，这个问题就尤为突出。流控制能解决这个问题，当接收端数据处理不过来时，就发出“不再接收”的信号，发送端就停止发送，直到收到“可以继续发送”的信号再发送数据。因此流控制可以控制数据传输的进程，防止数据的丢失。 PC机中常用的两种流控制是硬件流控制（包括RTS/CTS、DTR/CTS等）和软件流控制XON/XOFF（继续/停止），下面分别说明。 </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（数据终端就绪/数据设置就绪）流控制。<BR> 硬件流控制必须将相应的电缆线连上，用RTS/CTS（请求发送/清除发送）流控制时，应将通讯两端的RTS、CTS线对应相连，数据终端设备（如计算机）使用RTS来起始调制解调器或其它数据通讯设备的数据流，而数据通讯设备（如调制解调器）则用CTS来起动和暂停来自计算机的数据流。这种硬件握手方式的过程为：我们在编程时根据接收端缓冲区大小设置一个高位标志（可为缓冲区大小的75％）和一个低位标志（可为缓冲区大小的25％），当缓冲区内数据量达到高位时，我们在接收端将CTS线置低电平（送逻辑0），当发送端的程序检测到CTS为低后，就停止发送数据，直到接收端缓冲区的数据量低于低位而将CTS置高电平。RTS则用来标明接收设备有没有准备好接收数据。<BR> 常用的流控制还有还有DTR/DSR（数据终端就绪/数据设置就绪）。我们在此不再详述。由于流控制的多样性，我个人认为，当软件里用了流控制时，应做详细的说明，如何接线，如何应用。 </P><P> 3.软件流控制<BR> 由于电缆线的限制，我们在普通的控制通讯中一般不用硬件流控制，而用软件流控制。一般通过XON/XOFF来实现软件流控制。常用方法是：当接收端的输入缓冲区内数据量超过设定的高位时，就向数据发送端发出XOFF字符（十进制的19或Control-S，设备编程说明书应该有详细阐述），发送端收到XOFF字符后就立即停止发送数据；当接收端的输入缓冲区内数据量低于设定的低位时，就向数据发送端发出XON字符（十进制的17或Control-Q），发送端收到XON字符后就立即开始发送数据。一般可以从设备配套源程序中找到发送的是什么字符。<BR> 应该注意，若传输的是二进制数据，标志字符也有可能在数据流中出现而引起误操作，这是软件流控制的缺陷，而硬件流控制不会有这个问题。

 “在线”<BR> 电路在线维修测试仪中的“在线”一词，与其他领域中通常使用的“在线”不同，在其他领域中我们通常将“在线”检测用英语表示为“On-line”。这里所说的“在线”，是“在线路中”的意思，表示不把元器件从电路板上焊下来，直接对电路板上的元器件进行检测，在英语中用“In-circuit”这个词可能更确切。但由于历史原因，目前国内大多数人仍叫“在线测试”。</P><P> 2、 逻辑器件测试速度<BR> 逻辑器件测试速度是指测试仪每秒可向被测器件输入端施加多少个测试向量（Test Vector），即TV/S，这是衡量测试仪性能的重要指标，速度越快越好，表明测试仪的档次越高。JQ3000可达610KTV/S（国外测试仪Pinpoint达10MTV/S，QT200达500KTV/S）。该指标应准确、稳定，不随微机的档次而变。该指标的主要作用是解决同一型号但不同类型逻辑器件采用同一测试速度有时不能测试成功的问题。</P><P> 3、数字通道驱动电平<BR> 指测试仪的数字通道能支持什么样的输入输出电平。从测试仪的硬件来讲，能够支持全逻辑电平系列数字器件的测试仪肯定比只支持单一电平的测试仪要复杂的多。<BR> JQ系列测试仪可以根据被测器件的需要，将器件输入输出端设置成±15V之内的任意电平，允许输入输出电平不*，*适合全逻辑电平系列数字器件的测试。<BR> 如果测试仪的输入输出电平不可选择，一般情况下说明测试仪只能适应一种输入输出逻辑电平，即TTL电平。换句话说，测试仪是5V的数字通道。<BR> 数字通道所能支持的输入输出电平与测试仪所能提供多少个程控输出电源没有必然的联系。</P><P> 4、测试仪的通道数<BR> 测试仪所配置的通道数，决定了所能测试的器件的大管脚数，通道分为数字通道和模拟通道。只有在通道性能指标*相同的情况下，比较通道的多少才有意义，通道数多的肯定价格高。只能支持+5V输入输出的数字通道肯定不如支持全逻辑电平的测试仪性能好。</P><P> 5、数字通道大驱动电流<BR> 大驱动电流是指在保证通道驱动电平合乎逻辑电平要求时所能流出或吸入电流大值。该电流值越大，测试仪适应能力越强。一般低档测试仪的驱动电平在200mA左右。高档产品均远在该指标之上。Pinpoint测试仪大750mA，QT200大500mA，JQ3000大400mA。<BR> 用户可使用公司提供的测试方法检验该指标。</P><P> 6、模拟通道扫描电压<BR> 在所有模拟通道全部开路时，测试仪所能输出的大电压值。某些测试仪采用分档提供输出电压，捷联启威测试仪提供的输出电压为±1V～±28V，0.5V（实际可达0.1V）增量的范围。用户使用示波器即可观察。</P><P> 7、模拟通道的大扫描电流<BR> 扫描电压处于大值，输出短路时的电流。在测试集成电路时，一般需要几毫安到几十毫安的电流。但用于有一定功率元件的测试时，如果模拟通道只能提供几毫安到几十毫安的电流，显然太小，不能满足测试要求。测试仪应能提供数百毫安的输出电流，以满足功率元器件的测试。<BR> 捷联启威测试仪的输出电流大可达150毫安，能满足测试具有一定功率的器件的要求，比如功率三极管、可控硅等。<BR> 用户可使用公司提供的测试方法检验该指标。</P><P> 8、模拟通道的扫描频率<BR> 频率是指模拟通道每秒可以向被测器件提供多少个扫描波形，能够提供的频率越高，测试仪的档次越高，性能越好。频率范围越广，对容性、感性负载的适应性就越强。<BR> JQ3000通道扫描频率在扫描分辨率8、16、32、64、128点5档可选情况下，48hz～41.6khz共30档可选；<BR> JQ2000在扫描分辨率8、16、32、64、128点5档可选情况下，48hz～1khz共20档可选。<BR> 捷联启威测试仪模拟通道扫描频率指标大大高于同类国产测试仪产品，更重要的是曲线失真度小、频率不随配接微机的不同而变化，十分稳定、准确，保证了对模拟类器件测试的准确性，保证了ASA测试的可靠性、*性、准确性、可重复性

 其实，嵌入式系统并不是一个新生的事物，从八十年代起，上就有一些IT组织、公司，开始进行商用嵌入式系统和操作系统的研发。这其中涌现了一些的嵌入式系统： </P><P> Windows CE <BR> Microsoft Windows CE是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。它的模块化设计允许它对于从掌上电脑到的工业控制器的用户电子设备进行定制。操作系统的基本内核需要至少200K的ROM。 </P><P> VxWorks <BR> VxWorks是目前嵌入式系统领域中使用较广泛、的系统。它支持多种处理器，如x86、i960、Sun Sparc、Motorola MC68xxx、MIPS RX000、POWER PC等等。大多数的VxWorks API是专有的。采用GNU的编译和调试器。 </P><P> pSOS <BR> ISI公司已经被WinRiver公司兼并，现在pSOS属于WindRiver公司的产品。这个系统是一个模块化、高性能的实时操作系统，专为嵌入式微处理器设计，提供一个*多任务环境，在定制的或是商业化的硬件上提供高性能和高可靠性。可以让开发者根据操作系统的功能和内存需求定制成每一个应用所需的系统。开发者可以利用它来实现从简单的单个独立设备到复杂的、网络化的多处理器系统。 </P><P> QNX <BR> QNX是一个实时的、可扩充的操作系统，它部分遵循POSIX相关标准，如：POSIX.1b实时扩展。它提供了一个很小的微内核以及一些可选的配合进程。其内核仅提供4种服务：进程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理，其进程在独立的地址空间运行。所有其它OS服务，都实现为协作的用户进程，因此QNX内核非常小巧(QNX4.x大约为12Kb)而且运行速度极快。这个灵活的结构可以使用户根据实际的需求，将系统配置成微小的嵌入式操作系统或是包括几百个处理器的超级虚拟机操作系统。 </P><P> Palm OS <BR> 3Com公司的Palm OS在PDA市场上占有很大的，它有开放的操作系统应用程序接口（API），开发商可以根据需要自行开发所需要的应用程序。 </P><P> OS-9 <BR> Microwave的OS-9是为微处理器的关键实时任务而设计的操作系统，广泛应用于高科技产品中，包括消费电子产品、工业自动化、无线通讯产品、医疗仪器、数字电视/多媒体设备。它提供了很好的安全性和容错性。与其他的嵌入式系统相比，它的灵活性和可升级性非常突出。 </P><P> LynxOS <BR> Lynx Real-time Systems的LynxOS是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统，它遵循POSIX.1a、POSIX.1b和POSIX.1c标准。LynxOS支持线程概念，提供256个全局用户线程优先级；提供一些传统的、非实时系统的服务特征；包括基于调用需求的虚拟内存，一个基于Motif的用户图形界面，与工业标准兼容的网络系统以及应用开发工具。 </P><P> </P><P> 图1 1998-2000年嵌入式操作系统使用趋势</P><P> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/2004631444658460.jpg" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/2004631444658460.jpg" border=0 alt=按此在新窗口浏览图片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A></P><P> 图2 在未来24个月中打算使用的嵌入式操作系统</P><P> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/2004631454189679.jpg" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/2004631454189679.jpg" border=0 alt=按此在新窗口浏览图片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A></P><P> 目前，世面上有很多商业性嵌入式系统都在努力地为自己争取着嵌入式市场的份额（见图1）。但是，这些操作系统均属于商业化产品，价格昂贵；而且，由于它们各自的源代码不公开，使得每个系统上的应用软件与其它系统都无法兼容。并且，由于这种封闭性还导致了商业嵌入式系统在对各种设备的支持方面存在很大的问题，使得对它们的软件移植变得很困难。在嵌入式这个IT产业的新的关键领域，Linux操作系统适时地出现在了国家和国内各嵌入式厂商面前，由于Linux自身诸多优势，吸引了许多开发商的目光，成为嵌入式操作系统的新宠（见图2）。它的出现无疑为国家发展嵌入式操作系统事业提供了一个极有吸引力的机会。

  开发阶段的调制方法</P><P> 1.1 RAM版本的目标系统调试</P><P> 通过ICE（In-Circuit-Emulate）来调试目标板是开发人员较常用的手段。在产品开发初<BR> 期，由于各种软件和硬件问题很多，通过仿真器并结合逻辑分析仪、示波器等硬件信号测<BR> 试工具能够很好地发现问题。</P><P> 在仿真器环境下，通过仿真器的监控软件来控制用户软件的运行，使用断点、单步跟踪和<BR> 查看变量、CPU寄存器、存储器的数值等手段来查找问题。由于仿真器的软件和硬件需要<BR> 一定的CPU资源，用户软件在仿真器环境下运行和脱离仿真器后独立运行是有区别的。好<BR> 的仿真器能够尽量减小这<BR> 种区别。常见的仿真器从技术上区分有：单CPU仿真器、双CPU仿真器和ROM仿真器。</P><P> 在仿真器环境下，程序一般是在仿真器的RAM存储器中运行的，所以这种阶段也称为“RA<BR> M版本的目标系统调试”。</P><P> 1.2 ROM版本的目标系统调试</P><P> 在仿真器环境下，目标板运行调试正确后，一般的做法是将应用程序写入目标板的非易失<BR> 性存储器中，让目标板单独运行。在很多情况下，目标板系统往往不能运行或者运行结果<BR> 和仿真器环境下不*。而没有连接仿真器，无法观察各种软件状态，给分析问题造成一<BR> 定困难。在目标板上设<BR> 计指示电路有助于发现问题；在电路板上增加1个LED是较简单也是很有效的方法。对于复<BR> 杂系统，可以设计1个数码管显示输出接口，或者设计1个调试用串口，将调试信息发送到<BR> PC机上显示。</P><P> 在使用PC机作为显示输出设备时，一般的做法是使用Winodws自带的超级终端软件，无需<BR> 另外编制程序。和前二种方法相比，该方法的接口信号是双向的，调试者可以通过PC机输<BR> 入信息到目标板中，设定显示信息的类别。这一点，对于复杂系统的调试是很有价值的，<BR> CISCO公司的很多路由器<BR> 产品就使用这种方法来维护和调试。</P><P> 2 生产阶段的测试方法</P><P> 生产阶段的测试只是对硬件电路或者系统进行测试。测试目的是为了对产品或者部件进行<BR> 分检，找出有缺陷的产品。测试内容包括：</P><P> *裸板测试——检查未安装元器件的电路板上的开路和短路缺陷；</P><P> *成品生产缺陷分析——检查已安装元器件的电路板上焊点的短路和开路缺陷；</P><P> *成品电气性能测试——认证每个单元器件的上电运作；</P><P> *产品功能测试——认证电路模块的功能。</P><P> 生产测试和开发阶段的硬件测试不同，需要测试方法快速、能成批测试，易于在制造生产<BR> 线上安装。在生产的不同阶段使用的测试工具和技术也不相同。目前常用的测试工具和技<BR> 术有：人工视觉检查（MVI）、在线测试（ICT）、自动光学测试（AOI）、自动X射线测试<BR> （AXI）。其中人工视 <BR> 醪馐裕∕VI）只能用于小批量试制产品。</P><P> 在线测试（ICT）是较常用的一种线路板测试方法：使用专门的针床与已焊接好的线路板<BR> 上的元器件接触，通过针床在线路板上施加微小电压来测试线路通断、元件是否正确安装<BR> 。由于需要为特定电路板设计夹具，适合于单一品种民用型家电线路板极大规模生产<BR> 的测试；缺点是在高密 <BR> 鹊腟MT线路板测试困难。目前的替代解决办法是使用光学方法测试（如AOI，AXI），或者<BR> 使用边界扫描技术（即基于IEEE1394标准的JTAG测试接口）测试。后者需要IC或者线路板<BR> 支持此技术。</P><P> 功能测试是生产过程的后阶段使用，测试线路板或者系统的功能指标，一般的功能测试<BR> 需要设计测试设备和测试软件。</P><P> 3 现场测试技术</P><P> 现场测试分为三种情况：一种是在线测试，测试设备不停止运行；一种是停机测试，被测<BR> 试设备停止运行；第三种为脱机测试，将被测部件从运行现场取出，放到的测试装备<BR> 上进行测试。从测试技术角度上说，后二者更容易进行各种测试；对于复杂系统来说，往<BR> 往故障和问题需要在设<BR> 备运行时才能发现和定位，必须进行在线测试。究竟采取哪种方式进行现场测试，取决于<BR> 故障状况和实际应用是否允许立即停机。</P><P> 开发阶段产品和成熟产品的现场测试要求也不同：前者测试目的主要是发现设计中的问题<BR> ，由产品开发人员进行；后者侧重于发现使用中的问题和失效的部件，目的是更换部件，<BR> 由产品使用人员进行。（但测试方法和步骤也有可能是设计人员制定的。）</P><P> 现场测试和试验室测试的大区别就是测试设备难以安装和连接：线路板封闭在机箱中，<BR> 测试信号线很难引入，即使设备外壳上留有测试插座，测试信号线也需要很长，传统的在<BR> 线仿真器在现场测试中无法使用。另一方面，现场往往没有实验室里的各种测试仪器和设<BR> 备，因此，必须有更好<BR> 的方法和手段来完成测试。</P><P> 嵌入式处理器中目前有很多芯片具有类似Motorola公司683XX系列处理器的BDM调试接<BR> 口（详见第5部分）。这种接口是串行的，处理器内部固化了调试微码，为现场测试 <BR> 带来了方便。对于不具备这种接口的嵌入式计算系统，在系统设计时将关键信号点引出到<BR> 一个测试接口插座上，通过该插座可输入测试激励信号和观察输出信号；对于软件测试，<BR> 可使用前文中所述的ROM板测试方法，外接显示部件来观察程序运行情况。</P><P> 软件现场调试的另外一个要求是程序应能够现场下载，以便在发现问题后能够修改软件。<BR> 现场在线下载程序的方法有两种：一种是使用具有ISP功能的处理（如Philips公司的P89<BR> C51RD系列MCU等），另一种方案是将软件设计成两部分，一部分是应用功能软件，另一部<BR> 分是完成前者下载到系 <BR> 持械南略赝ㄐ湃砑Ｎ蘼勰闹址椒ǎ略氐闹骰荘C机。如果需要达到远程调试和下<BR> 载的目的，则要使用后一种方案。例如，在Echelon公司的Lonwork现场总线产品中，每个<BR> 节点中的程序均可以通过网络下载，这种功能为多节点网络系统的现场调试带来了极大方<BR> 便。</P><P> 4 可测试性设计</P><P> 在产品开发初期，产品测试的目的是验证产品设计的正确性，而可测试性部件的存在则能<BR> 加快测试速度，缩短产品开发周期；在生产阶段，通过测试来剔除有缺陷的产品和部件；<BR> 在使用阶段，测试则用于故障定位，找出失效的部件并更换或者维修。可见，产品的测试<BR> 在产品生命周期各阶段<BR> 均有十分重要的作用。可测试性设计应该在产品设计初期就加以考虑，结合测试在不同阶<BR> 段的作用来设计测试模块和接口。</P><P> 产品的可测试性设计要考虑的问题有：测试的目的、测试部件的位置、测试部件的基本要<BR> 素、内置测试部件与外部测试设备仪器之间的电气和机械连接，添加测试部件对被测模块<BR> 功能和性能的影响、测试部件的成本以及何时使用测试功能等。</P><P> 如前所述，测试在产品不同阶段是有差别的。在产品开发阶段，很多参数需要定量和详细<BR> 地进行测试，以验证产品在各种不同情况下是否能正常工作；测试参数，测试点较多，可<BR> 以方便地连接各种外部测试仪器，也不需要考虑添加测试部件所带来的附加成本。在产品<BR> 生产和使用阶段，测试<BR> 的节点和参数数量也相对减少，测试一般是定性的，无需借助于外部设备的自测试，成本<BR> 因素也必须考虑。</P><P> 测试部件一般位于被测部件的接口和边界位置上，如图上所示，用于产品控制被测部件的<BR> 激励信号和采样被测部件的输出信号。测试部件一般由测试信号源、信号传输通道、测试<BR> 观察装置等组成。测试部件可以*包含在被测部件中，也可部分位于外部（如外接信号<BR> 源和示波器等）。对于<BR> 自动测试，测试部件还包括被测部件的预期输出存储部件比较部分。</P><P> 在一个系统中，如何划分模块，确定测试位置（即模块的边界）是关系到可测试性设计是<BR> 否合理的首要问题。模块间小相关原则和模块内小相似原则是两个重要依据：前者保<BR> 证测试可以独立进行，不需要很多其它模块的配合；后者可以使测试能正确反映被测模块<BR> 的大部分工况，不至于<BR> 漏测很多工作状态。</P><P> 很多情况下，从被测模块的边界直接引出信号有困难，测试信号需要经过其它模块引入到<BR> 被测模块上。如果作为信号路径的模块对信号特征没有改变，则称这种测试路径是透明的<BR> ，路径模块必须能在旁路模式和正常工作模式之间切换，实现起来有局限性。对于硬件来<BR> 说，较简单的透明路径<BR> 是使用跳线。</P><P> 对于简单嵌入式系统来说，测试一般包括上电自测试和人为测试。后者在故障出现时进行<BR> 。对于复杂系统来说，还包括定时自动测试，比如在大型程控交换机和飞机机载电子设备<BR> 的运行过程中，均定时进行自检。</P><P> 可测试性设计还应考虑测试功能所使用对象的不同。产品设计人员、产品使用人员和产品<BR> 维护人员对测试内容的要求是同的，需要进行分层次的可测试性设计。</P><P> 对于硬件和系统的可测试性设计已有IEEE1149.1/4/5等标准可以借鉴，对于单纯的软件测<BR> 试，目前尚无具体和统一的标准，只有诸如代码格式分析、白盒测试、黑盒测试、覆盖测<BR> 试等测试方法。软件测试的途径有两个。一是在源代码中增加大量测试代码，使用条件编<BR> 译指令来控制形成调试<BR> 、测试和终发布等不同版本。调测版本的代码规模要比终的发布版本大很多，在问题<BR> 解决后，一般将临时性测试代码通过编译开关屏蔽。另外一个软件测试途径是使用的<BR> 测试软件（如法国Telelogic公司的LOGISCOPE测试工具），这些测试软件能完成诸如覆盖<BR> 测试、代码格式分析等<BR> 功能，但均是针对特定的语言和操作系统环境，使用上一些限制。</P><P> 还需要说明的就是“可观测”设计的概念。可观测性和可测试性不同，不需要加入激励信<BR> 号，只观察系统运行中某些内部状态，比如软件中某个重要变量的数值变化，硬件电路中<BR> 某个IC引脚的信号电平等。在设计中，应该保留这些观察接口，以便需要时用它来判断和<BR> 分析系统的问题。一个<BR> 可测试的系统，一定是可观测的，反之则不然。设计可测试性系统的目的是为了以后修改<BR> 和改进设计，而使系统具有可观测性则是为了维护系统，判断哪个是出故障的部件，以便<BR> 更换。可测试性设计一般用于新产品，而可观测性设计用于成熟产品。当然，在结构、安<BR> 装条件和成本允许的情<BR> 况下，成熟产品也应具有可测试性。实际上，由于处理器技术和芯片的日新月异，已经不<BR> 存在真正意义上的成熟产品了。</P><P> 在一类产品中的可测试性设计应该具有*性，例如，用红色LED表示电源状态，所有电<BR> 路板均应采用红色LED，点亮的频率也应该*。作为企业，应制定相关的测试接口标准<BR> ，并且这些标准应符合行业习惯或者行业标准。</P><P> 5 测试和调试接口标准</P><P> 测试和调试接口标准：JTAG和BDM。</P><P> 5.1 背景调试模式</P><P> 在使用传统的ICE来调试时，使用ICE中的CPU来取代目标板中的CPU，目标板和ICE之间使<BR> 用多芯扁平电缆来连接，而ICE在使用时一般还需要缩主机（一般来PC）来连接。</P><P> 在一些微处理器内部已经包含了用于调试的微码，调试时仿真器软件和目标板上的C<BR> PU的调试微码通信，目标板 <BR> 上的CPU无需取出。由于软件调试指令无需经过一段扁平电缆来控制目标板，避免了高频<BR> 操作限制、交流和直流的不匹配以及调试线缆的电阻影响等问题。这种调试模式在Motor<BR> ola公司产品68300系列中被称为背景调试模式BDM（Background Debug <BR> Mode）。在仿真器和目标之间使用8芯（或者10芯）的BDM接口来连接，其他公司的嵌入式<BR> 处理器也有类似功能，不过叫法不同，例如AMD公司在其X86微处理器上提供“AMDebug”<BR> 的调试接口。</P><P> <BR> 实际上，BDM相当于将ICE仿真器软件和硬件内置在处理器，这使得我们直接使用PC机的并<BR> 口来调试软件，不再需要ICE硬件，大大节约了汽油发成本。一些调试器供应商也提供这<BR> 种软件产品（如XRAY）。对于用户来说，为了调试一些特定问题，可以直接使用BDM命令<BR> 来调试目标系统，以弥补<BR> 商业调试软件的不足。</P><P> BDM接口有8根信号线，也有为10根信号线的，如图2所示。调试软件通过4脚使CPU进入背<BR> 景调试模式，调试命令的串行信号则8通过脚输入,同时4脚输入信号步时钟，而CPU中的微<BR> 码在执行命令后会在10脚输出调试结果指示信号。可见，BDM接口引线由并口和PC机相连<BR> ，调试命令则是通过串行<BR> 方式输入的。</P><P> 目前在CPU内置的调试接口和微码方面，各厂家尚无统一标准。处理器厂家、工具开发公<BR> 司和仪器制造商曾于1998年组成了Nexus 5001 Forum(Nexus 5001论坛)，成员包括Motor<BR> ola、Infineon <BR> Technologies、日立、ETAS和惠普公司等，正致力于制定一个统一的片上通用调试接口。<BR> 这方面的进一步情况可查阅</P><P> 5.2 边界扫描测试技术和JTAG接口</P><P> 边界扫描测试技术（Boundary-Scan Test Architecture）属于一种可测试性设计。其基本思想是在芯片引脚和芯片内部逻辑之间（即芯片边界位置）增加串行连接的边界扫描测试单元，实现对芯片引脚状态的设定和读取 ，使芯片引脚状态具有可控性和可观测性。</P><P> 边界扫描测试技术初由各大半导体公司（Philips、IBM、Intel等）成立的联全测试行<BR> 动小组JTAG（Join Test Action Group）于1988年提出，1990年被IEEE规定为电子产品可测试性设计的标准（IEEE1149.1/2/3）。目前，该标准已被一些大规模集成电路所采用（如DSP、CPU、FPGA等），而访问 边界扫描测试电路的接口信号定义标准被称为JTAG接口，很多嵌入式处理器内置了这种测 试接口。在Cygnal公司腃8051F000系列单片机中和一些FPGA芯片中，JTAG接口不仅能用于测试，也是器件的编程<BR> 接口。</P><P> IEEE1149.1标准支持以下3种测试功能：</P><P> *内部测试——IC内部的逻辑测试；</P><P> *外部测试——IC间相互连接的测试；</P><P> *取样测试——IC正常运行时的数据取样测试。</P><P> 图3给出了具有2个芯片的系统的边界扫描测试原理。</P><P> 图3中，TCK为测试同步时钟输入，TMS为测试模式选中输入，TDI为测试数据输入，TDO为<BR> 测试数据输出，由测试移位寄存器产品。图3中的小方框表示位于芯片外围的边界扫描测<BR> 试逻辑单元，芯片每个引脚信号经过边界扫描单元和内部的功能单元相连接。</P><P> 目前，边界扫描技术的应用主要在数字IC的测试上，这种设计思想也可用于模拟系统、板<BR> 级测试甚至系统测试上。IEEE也制定了和IEEE1149.1相类似的标准IEEE P1149.4（数模混<BR> 合信号测试总线标准）、IEEE 1149.5（电路板测试和维护总线标准）

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