MQX操作系统在便携PID报警仪中的应用研究

论文摘要

随着科技的不断发展,嵌入式系统正不断渗透到人们生活和工作的各个领域。便携式PID报警仪就是嵌入式系统应用的一个典型例子,大量用于环境监测、工业保健、石油化工等领域的VOC等有害物质检测。然而我国该类仪器同国外还有很大的差距,一个重要的原因就是嵌入式软件控制系统遇到瓶颈。传统的检测器一般采用前后控制系统,该类系统代码量大、不易移植和维护、开发周期长、扩展难度大等问题,越来越无法满足检测器发展需求。因此,检测器产品在软件控制上有必要引入新的设计思想和方法,即应用嵌入式操作系统。Freescale MQX操作系统作为嵌入式操作系统中的一种,具有明显的优势。它是一款源码开放、功能齐全、完全免费的操作系统,自带TCP/IP堆栈库、USB堆栈库等,可以满足各种应用场合。它支持Freescale推出的轻量级、低开销、低配置的eGUI,可以提供友好的人机界面及实现产品人机交互。同时,它提供的一整套应用编程接口(API)和模块化、基于组件的架构大大提高开发效率、降低开发难度。另外,它根据不同的硬件平台提供了完整的平台支持包(PSP)和板级支持包(BSP),从而缩短了产品开发周期,加快产品上市。因此,在便携式仪表中应用MQX操作系统是一个很好的选择。本文首先介绍了MQX操作系统的组织架构、存储机制、任务同步机制、中断和异常处理方法等；详细描述MQX操作系统的启动过程、系统运行机制、用户任务运行和调度方法等内容；给出MQX操作系统支持的开发环境及本文所用的开发环境。其次,对PID报警仪硬件系统进行设计。介绍PID检测器的原理和特点及报警仪基本工作原理；介绍基于MCF52259微处理器的硬件系统的基本结构,详细阐述电路各个子系统,包括：核心控制系统、存储系统、显示系统、通信系统,电源管理系统等。接着,对报警仪嵌入式软件系统进行详细设计。根据报警仪待实现的基本软件需求对嵌入式软件系统功能进行深入分析,包括PID校正系数与气体标定、存储功能、数据处理及算法、泵的PWM波控制等；给出了MQX操作系统下主构建板级支持包包(BSP)的方法和详细步骤；根据MQX操作系统驱动程序设计方法,开发了本系统在MQX操作系统下内部模组和外部模组的驱动程序；采用状态机的方法开发了适合本系统的人机界面,实现人机交互使系统更加友善；同时,开发了适合本系统应用的TCP/IP简单协议栈；根据硬件模块及软件系统分析对应用程序进行任务划分,详细设计各个任务并给出了关键任务的程序流程图。最后,对嵌入式软件系统进行测试及结果分析。本文对系统进行了一系列的测试实验,文中给出了系统关键部分的测试和结果分析,包括：键盘测试、人机界面测试、采样泵PWM波测试、信号采样与存储测试、以太网通信测试等；总结了自己所做工作,并针对研究的不足提出展望。本文以Freescale32位处理器MCF52259为硬件平台引入Freescale MQX嵌入式操作系统基本实现了便携PID报警仪功能。由于MQX操作系统发行时间短,国内对其研究甚少,所以本文将MQX操作系统应用在便携PID报警仪中具有一定的研究和应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 嵌入式操作系统
• 1.1.1 嵌入式系统概述
• 1.1.2 嵌入式操作系统比较
• 1.1.3 MQX实时操作系统
• 1.2 本课题背景、现状及发展
• 1.3 本课题目的和意义
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 MQX实时操作系统研究
• 2.1 实时操作系统基础
• 2.2 MQX操作系统概述
• 2.2.1 MQX操作系统的组织结构
• 2.2.2 初始化及任务管理
• 2.2.3 存储管理机制
• 2.2.4 任务同步机制
• 2.2.5 中断和异常处理
• 2.3 MQX操作系统工作机制
• 2.3.1 MQX操作系统启动过程
• 2.3.2 运行MQX操作系统
• 2.3.3 任务模板列表
• 2.3.4 MQX任务调度
• 2.4 MQX操作系统开发环境
• 第3章 便携PID报警仪硬件系统设计
• 3.1 PID报警仪的原理
• 3.1.1 PID检测器原理
• 3.1.2 报警仪工作原理
• 3.2 硬件设计方案
• 3.2.1 系统基本框图
• 3.2.2 微处理器简介
• 3.2.3 存储系统
• 3.2.4 显示系统
• 3.2.5 通信系统
• 3.2.6 电源管理系统
• 第4章 基于MQX的PID报警仪软件系统设计
• 4.1 嵌入式软件系统功能分析
• 4.1.1 本系统基本软件功能
• 4.1.2 PID校正系数与气体标定
• 4.1.3 存储功能分析
• 4.1.4 数据处理及算法
• 4.1.5 泵的PWM波形控制
• 4.2 嵌入式系统软件架构
• 4.3 开发MQX操作系统板级支持包（BSP）
• 4.3.1 MQX驱动程序概述
• 4.3.2 MQX驱动程序设计方法
• 4.3.3 构建MQX下的BSP工程
• 4.3.4 内部模组驱动程序开发
• 4.3.5 外围设备驱动程序开发
• 4.3.6 LCD驱动程序开发
• 4.4 人机界面（HMI）开发
• 4.4.1 人机界面概述
• 4.4.2 人机界面设计
• 4.5 通信系统设计
• 4.5.1 串口通信
• 4.5.2 以太网通信
• 4.6 应用程序设计
• 4.6.1 任务特性
• 4.6.2 任务划分原则
• 4.6.3 本系统任务划分
• 4.6.4 任务程序流程图
• 4.6.5 消息队列应用
• 第5章 系统功能测试及结果分析
• 5.1 测试概述
• 5.2 键盘测试
• 5.3 人机界面测试
• 5.4 采样泵PWM测试
• 5.5 信号采样与存储测试
• 5.6 标气通气测试
• 5.7 以太网通信测试
• 第6章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 常见气体PID校正系数
• 附录2 UART0部分驱动程序源码
• 附录3 作者在读期间发表的学术论文及参加的科研项目