小长图无纸记录仪关键技术研究
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摘要
长期以来，作为一种重要的数据记录仪表，记录仪被广泛的应用于各种工业现场。同时，计算机软硬件技术的飞速发展，以及计算机技术不断地渗入仪器仪表行业，使得基于虚拟技术的智能化记录仪表成为记录仪发展的新趋势。
本文主要讨论的是基于80C320单片机的彩色多功能小长图无纸记录仪的研究开发。记录仪设计过程中，充分贯彻了模块化和低成本的思想，加上合理的任务调度和硬件性能的挖掘，使得系统整体有着良好的稳定性、较高的可靠性和优越的性价比。2003年10月，研究成果交付接产单位，2004年5月正式投产。可以预见，彩色多功能小长图无纸记录仪必将为广大用户所接受，有着良好的发展前景。
论文首先简要介绍了记录仪的发展历史，以及各阶段记录仪的性能比较，接着在介绍新型小长图无纸记录仪系统软硬件体系结构的基础上，对记录仪的各个功能部分的实现进行了讨论，其创新点主要有：
单片机程序存储器容量扩展的实现，实现了多ROM之间代码的流畅切换。
系统任务调度模式的优化调整，通过创造性的系统任务划分，引入了“遗留任务”的概念，在“前后台系统”的基础上保证了系统任务响应的实时性。
综合利用了“两次测量”、“两次捕捉”、“在线校正”和“离线校准”等方法组织测量过程，使系统整体能够在低成本的基础上满足高精度的测量需求(优于2‰)。
引入“双缓冲池”的历史数据检索模式，实现了历史数据的“一键式”进入查询。
创造性的对RTX51 tiny多任务调度平台进行改进，使其满足了商用实时内核的基本需求。
最后，对新型记录仪的应用做了分析和总结，并提出了关于衍生产品的构想。
主要研究成果已申请国家专利。
As an important instrument to record data, recorder has now been used on various kinds of industrial sites. Meanwhile, with the rapid development of computer hardware and software, computer technology has exerted an innovational influence on Industry of Instrument and Meter. Virtual technology-based intelligent recorder has now become a new trend in the development of recorders.
The present thesis presents the author's research on the R&D of 80C320 single-chip based Little Type Paperless Recorder. With the modularization and low cost designation, especially with the reasonable task scheduler and full usage of the hardware, the recorder system displays satisfactory stability, reliability and quality-to-price performance. The research findings were delivered to the cooperator in October 2003, and the product will be commercially available in May 2004. It is predictable that the Little Type Paperless Recorder will enjoy a wide acceptance in the market and a bright future in commercial terms.
This thesis starts with the features and developing tendency of the recorder, and then discusses the realization of each functional parts of the Little Type Paperless Recorder, through a detailed introduction on its hardware and software structures, focusing mainly on the following innovative technologies:
Methods for banks switch, which makes the program running fluently on multi-ROMs.
Optimization of the task schedule mode, which realizes a creative division on system tasks as 'Reserve Task', and has guaranteed the system a real-time response on the basis of 'Foreground/Background System
Integration of different methods such as Twice Measurement', Twice Seizure', 'Revision Online' and 'Revision Offline' in the metering process, which enables the system to meet a high-precision requirement(better than 2%0) at low cost.
Usage of 'Double Buffer', which makes the history search more easily.
Upgrade of muti-task platform, RTX51 tiny, which empowers it to meet the requirements for commercial usage.
Finally, in the conclusion part, the author summarizes the whole research and offers some new ideas concerning the Paperless Recorder.
Some research findings have applied for national patent.
本文主要讨论的是基于80C320单片机的彩色多功能小长图无纸记录仪的研究开发。记录仪设计过程中，充分贯彻了模块化和低成本的思想，加上合理的任务调度和硬件性能的挖掘，使得系统整体有着良好的稳定性、较高的可靠性和优越的性价比。2003年10月，研究成果交付接产单位，2004年5月正式投产。可以预见，彩色多功能小长图无纸记录仪必将为广大用户所接受，有着良好的发展前景。
论文首先简要介绍了记录仪的发展历史，以及各阶段记录仪的性能比较，接着在介绍新型小长图无纸记录仪系统软硬件体系结构的基础上，对记录仪的各个功能部分的实现进行了讨论，其创新点主要有：
单片机程序存储器容量扩展的实现，实现了多ROM之间代码的流畅切换。
系统任务调度模式的优化调整，通过创造性的系统任务划分，引入了“遗留任务”的概念，在“前后台系统”的基础上保证了系统任务响应的实时性。
综合利用了“两次测量”、“两次捕捉”、“在线校正”和“离线校准”等方法组织测量过程，使系统整体能够在低成本的基础上满足高精度的测量需求(优于2‰)。
引入“双缓冲池”的历史数据检索模式，实现了历史数据的“一键式”进入查询。
创造性的对RTX51 tiny多任务调度平台进行改进，使其满足了商用实时内核的基本需求。
最后，对新型记录仪的应用做了分析和总结，并提出了关于衍生产品的构想。
主要研究成果已申请国家专利。
As an important instrument to record data, recorder has now been used on various kinds of industrial sites. Meanwhile, with the rapid development of computer hardware and software, computer technology has exerted an innovational influence on Industry of Instrument and Meter. Virtual technology-based intelligent recorder has now become a new trend in the development of recorders.
The present thesis presents the author's research on the R&D of 80C320 single-chip based Little Type Paperless Recorder. With the modularization and low cost designation, especially with the reasonable task scheduler and full usage of the hardware, the recorder system displays satisfactory stability, reliability and quality-to-price performance. The research findings were delivered to the cooperator in October 2003, and the product will be commercially available in May 2004. It is predictable that the Little Type Paperless Recorder will enjoy a wide acceptance in the market and a bright future in commercial terms.
This thesis starts with the features and developing tendency of the recorder, and then discusses the realization of each functional parts of the Little Type Paperless Recorder, through a detailed introduction on its hardware and software structures, focusing mainly on the following innovative technologies:
Methods for banks switch, which makes the program running fluently on multi-ROMs.
Optimization of the task schedule mode, which realizes a creative division on system tasks as 'Reserve Task', and has guaranteed the system a real-time response on the basis of 'Foreground/Background System
Integration of different methods such as Twice Measurement', Twice Seizure', 'Revision Online' and 'Revision Offline' in the metering process, which enables the system to meet a high-precision requirement(better than 2%0) at low cost.
Usage of 'Double Buffer', which makes the history search more easily.
Upgrade of muti-task platform, RTX51 tiny, which empowers it to meet the requirements for commercial usage.
Finally, in the conclusion part, the author summarizes the whole research and offers some new ideas concerning the Paperless Recorder.
Some research findings have applied for national patent.
引文
【1】潘哲军．基于PC104结构的无纸记录仪的软件开发．硕士论文，1999
【2】潘险峰．小长图无纸记录仪的研究开发．硕士论文，2002
【3】美国国家半导体公司编，刘仁普译．数据采集系统应用手册．机械工业出版社，1997．9
【4】徐科军，陈荣保．自动检测和仪表中的共性技术．清华大学出版社，2000．12
【5】探矽工作室．嵌入式系统开发圣经．中国青年出版社，2002
【6】王仲生，陈东．智能检测与控制技术．西北工业大学出版社，2002
【7】(美)Arnold Berger著，吕骏译．嵌入式系统设计．电子工业出版社，2002
【8】杨乐平．虚拟仪器技术概述．电子工业出版社，2003
【9】雷森．微机自动检测与系统设计．电子工业出版社，2003
【10】Philips. datasheet of 80C552/83C552 single-chip 8-bit microcontroller. 1998 Aug 13
【11】Analog Devices, Inc. AD652 datasheet. 2000
【12】Dallas Semiconductor. DS80C320/DS80C323 datasheet. 1999.11
【13】Jean J. Labrosse. μC/OS The Real Time Kernel. 1995
【14】袁修干、庄达民．人机工程．北京航空航天大学出版社，2002
【15】杜维、张宏建等．过程检测技术及仪表．化学工业出版社，1999．1
【16】徐爱均．智能化测量控制仪表原理与设计．北京航空航天大学出版社，1995．11
【17】友利华(河南)．彩色液晶VRAM型显示器使用说明书．2000．10
【18】苗雪兰、刘瑞新．计算机图形学理论及应用技术．机械工业出版社，2003
【19】Donald Hearn，M．Pauline Baker．计算机图形学．电子工业出版社，2002
【20】武汉力源公司．力源产品目录．2002．1
【21】SamSung. K9F6408UOM datasheet. 2000
【22】马维华等．从8086到Pentium Ⅲ 微型计算机及接口技术．科学出版社，2000．2
【23】LG Semicon, Co. LTD. GM82C765B datasheet. 2002.3
【24】谢希仁．计算机网络．电子工业出版社，2000．7
【25】JL-22M无纸记录仪安装使用手册．浙江浙大中控自动化有限公司
【26】DRC-97智能记录调节仪安装使用手册．浙江浙大中控自动化有限公司
【27】DMR无纸记录仪使用说明书．沈阳兰申电器有限公司
【28】张培仁．基于C语言编程MCS-51单片机原理与应用．清华大学出版社，2003
【29】(美)Dreamtech软件研发组著，王勇等译．嵌入式系统编程源代码解析．电子工业出版社，2002
【30】胡大可，李培弘，方路平．基于单片机8051的嵌入式系统开发．电子工业出版社，2003
【31】赵家贵、付小美．新编传感器电路设计手册．中国计量出版社，2002．9
【32】高光天．模数转换器应用技术．科学出版社，2001
【33】肖忠祥、孟开元．数据采集原理．西北工业大学出版社，2001
【34】(日)谷口庆治．数字图像处理(应用篇)．科学出版社，2002
【35】陆润民．计算机图形学教程．清华大学出版社，2003
【36】黄贤武．DOS和汉字处理技术实用大全．北京理工大学出版社，1994．2
【37】蒋大林、赵慧玲．微型计算机软盘控制器原理、参数、应用．电子工业出版社，1993
【38】谭浩强．C程序设计．清华大学出版社，1995．8
【39】Getting Started with Lab Windows/CVI. National Instuments.
【40】www,keil.com, Getting Started with μVision2 and C51 Microcontroller Development Tools.
【41】www.keil.com, Keil C51 Manual Version 11.2000.
【42】www.keil.com, RTX51 Tiny User's Guide.
【43】Kleinert, Greg.Paperless recorders meet expanding information needs. chilton's I&CS(Instrumentation & Control System),v68 3 Mar 1995.
【44】Kortick, David. Advanced recorders offer paper and paperless solutions. I&CS Instrumentation & Control System, v71 n5 May 1998.
【45】Jin Jianxiang, Yang Ying, Chu Jian. New concept of display and record-paperless recorder. Huagong Zidonghua Ji Yibiao/Control and Instruments in Chemical Industry, v22 n5, Oct 1995.
【46】Kurihara, K.; Kawamata, Y. Development of a precise long-time digital integrator for magnetic measurements in a tokamak. Proceedings-Symposium on fusion Engineering, v2 Oct6-10, 1997.
【47】Trofimenkoff, F.N.; Finvers, I.G.; Haslett, J.W. DC measurement errors due to auto-zeroed amplifier noise. IEEE transactions on Instrumentation and Measurement 45 1 Feb 1999.
【48】Karagiannopoulos, C.G.; Agoris, D.P.; Psomopoulos, C.S.; Bourkas, P.D. Potential measurements on electric contacts. An experimental investigation, Measurement: Journal of the International Measurement Confederation 27 1 2000.
【49】Schamel, AI; Differential amplifier provides accurate, safe oscilloscope measurements, Powerconversion & Intelligent Motion 22 9 Sep 1996.
【50】Sekel, Steve; Making oscilloscope measurements more accurate, less likely to shock. Research & Development (Barrington, Illinois) 37 11 Oct 1995.
【51】Budovsky, Ilya (Natl Measurement lab) Micropotentiometer-based system for low-voltage calibration of alternating voltage measurement standards, IEEE transactions on Instrumentation and Measurement v46 n2 Apr 1997.
【52】Winkler, W.; Halinka, A.; Witek, B. Frequency measurement algorithm for generator-transformer unit adaptive protection, Proceedings of the Universities Power Engineering Conference 3 Sep 1996.
【53】Caurllo, A.; Parvis, M.; Vallan, A.; Callegaro, L.; Automatic compensation system for impedance measurement, Conference Record-IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference, v1 May 21-23 2002.
【54】Helisto, Measurement uncertainty in the presence of low-frequency noise, IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement v50 n2 April 2001.
【55】Zhou, W.; Yu, J.; Li, J; Xuan, Z; Zhou, H.; A precision frequency standard comparison method and instrument, Proceedings of the Annual IEEE International Frequnecy Control Symposium Jun 7-9 2000.
【56】王国燕，罗红．基于虚拟仪器概念的多功能无纸记录仪的软件开发．电子技术应用，2000
【57】周泓，汪乐宇．虚拟仪器系统软件结构设计．计算机自动测量与控制，2000
【58】杨光友，张道德．一种基于分时操作系统原理的单片机控制系统．湖北工学院学报，2002，17(1)
【59】胡金初．分布式实时系统中任务调度问题的研究．计算机科学，2003，30(7)
【60】王远振，赵坚．任务优先级调度策略性能分析．空军工程大学学报，2003，4(3)
【61】屈振新，曾庆伟．嵌入式时时操作系统核心的设计与实现．计算机工程与应用，2002，38(9)
【62】刘怀，胡继峰．实时系统的多任务调度．计算机工程，2002，28(3)
【63】张运萍，曾卫平．RTLinux实时任务调度机制的剖析及改造．计算机工程与设计， 2002，23(6)
【64】王克星，宋政湘．实时多任务操作系统的开发与应用．计算机工程与应用，2003，39(5)
【65】陈励军，张锐．一种基于虚拟示波器技术的数据采集系统．计算机测量与控制，2003，11(2)
【66】潘金龙，慈春令．利用输入输出测量值设计控制系统的新方法．控制与决策，2002，17(5)
【67】邵在平．程控放大技术在数据采集系统中的应用．测井技术，2003，27(z1)
【68】姬亚鹏，吴明光．大容量Flash存储器在无纸记录仪中的应用．化工自动化及仪表，2003，30(5)
【69】张景涛，王华．实时数据的压缩与存储．化工自动化及仪表，2003，30(3)
【70】邵惠鹤，冯晓东．一种改进的过程数据压缩算法及其性能分析．测控技术，2002，21(z1)
【71】蒋鹏，黄清波，孙优贤．化工过程历史数据压缩方法研究．浙江大学学报(工学版)，2002，36(3)
【72】陈光杰．数据压缩的一种快速实现技术．中国医疗器械杂志，2002，26(2)
【73】靳鸿，裴东兴，祖静．无损数据压缩在数据采集系统中的应用探讨．华北工学院学报，2003，24(1)
【74】董平，王粉花．数据压缩技术在工业过程中的应用．北京科技大学学报，2002，24(5)
【75】李德仁，王晏民．多函数分段拟合的曲线数据压缩．哈尔滨工业大学学报，2002，34(4)
【2】潘险峰．小长图无纸记录仪的研究开发．硕士论文，2002
【3】美国国家半导体公司编，刘仁普译．数据采集系统应用手册．机械工业出版社，1997．9
【4】徐科军，陈荣保．自动检测和仪表中的共性技术．清华大学出版社，2000．12
【5】探矽工作室．嵌入式系统开发圣经．中国青年出版社，2002
【6】王仲生，陈东．智能检测与控制技术．西北工业大学出版社，2002
【7】(美)Arnold Berger著，吕骏译．嵌入式系统设计．电子工业出版社，2002
【8】杨乐平．虚拟仪器技术概述．电子工业出版社，2003
【9】雷森．微机自动检测与系统设计．电子工业出版社，2003
【10】Philips. datasheet of 80C552/83C552 single-chip 8-bit microcontroller. 1998 Aug 13
【11】Analog Devices, Inc. AD652 datasheet. 2000
【12】Dallas Semiconductor. DS80C320/DS80C323 datasheet. 1999.11
【13】Jean J. Labrosse. μC/OS The Real Time Kernel. 1995
【14】袁修干、庄达民．人机工程．北京航空航天大学出版社，2002
【15】杜维、张宏建等．过程检测技术及仪表．化学工业出版社，1999．1
【16】徐爱均．智能化测量控制仪表原理与设计．北京航空航天大学出版社，1995．11
【17】友利华(河南)．彩色液晶VRAM型显示器使用说明书．2000．10
【18】苗雪兰、刘瑞新．计算机图形学理论及应用技术．机械工业出版社，2003
【19】Donald Hearn，M．Pauline Baker．计算机图形学．电子工业出版社，2002
【20】武汉力源公司．力源产品目录．2002．1
【21】SamSung. K9F6408UOM datasheet. 2000
【22】马维华等．从8086到Pentium Ⅲ 微型计算机及接口技术．科学出版社，2000．2
【23】LG Semicon, Co. LTD. GM82C765B datasheet. 2002.3
【24】谢希仁．计算机网络．电子工业出版社，2000．7
【25】JL-22M无纸记录仪安装使用手册．浙江浙大中控自动化有限公司
【26】DRC-97智能记录调节仪安装使用手册．浙江浙大中控自动化有限公司
【27】DMR无纸记录仪使用说明书．沈阳兰申电器有限公司
【28】张培仁．基于C语言编程MCS-51单片机原理与应用．清华大学出版社，2003
【29】(美)Dreamtech软件研发组著，王勇等译．嵌入式系统编程源代码解析．电子工业出版社，2002
【30】胡大可，李培弘，方路平．基于单片机8051的嵌入式系统开发．电子工业出版社，2003
【31】赵家贵、付小美．新编传感器电路设计手册．中国计量出版社，2002．9
【32】高光天．模数转换器应用技术．科学出版社，2001
【33】肖忠祥、孟开元．数据采集原理．西北工业大学出版社，2001
【34】(日)谷口庆治．数字图像处理(应用篇)．科学出版社，2002
【35】陆润民．计算机图形学教程．清华大学出版社，2003
【36】黄贤武．DOS和汉字处理技术实用大全．北京理工大学出版社，1994．2
【37】蒋大林、赵慧玲．微型计算机软盘控制器原理、参数、应用．电子工业出版社，1993
【38】谭浩强．C程序设计．清华大学出版社，1995．8
【39】Getting Started with Lab Windows/CVI. National Instuments.
【40】www,keil.com, Getting Started with μVision2 and C51 Microcontroller Development Tools.
【41】www.keil.com, Keil C51 Manual Version 11.2000.
【42】www.keil.com, RTX51 Tiny User's Guide.
【43】Kleinert, Greg.Paperless recorders meet expanding information needs. chilton's I&CS(Instrumentation & Control System),v68 3 Mar 1995.
【44】Kortick, David. Advanced recorders offer paper and paperless solutions. I&CS Instrumentation & Control System, v71 n5 May 1998.
【45】Jin Jianxiang, Yang Ying, Chu Jian. New concept of display and record-paperless recorder. Huagong Zidonghua Ji Yibiao/Control and Instruments in Chemical Industry, v22 n5, Oct 1995.
【46】Kurihara, K.; Kawamata, Y. Development of a precise long-time digital integrator for magnetic measurements in a tokamak. Proceedings-Symposium on fusion Engineering, v2 Oct6-10, 1997.
【47】Trofimenkoff, F.N.; Finvers, I.G.; Haslett, J.W. DC measurement errors due to auto-zeroed amplifier noise. IEEE transactions on Instrumentation and Measurement 45 1 Feb 1999.
【48】Karagiannopoulos, C.G.; Agoris, D.P.; Psomopoulos, C.S.; Bourkas, P.D. Potential measurements on electric contacts. An experimental investigation, Measurement: Journal of the International Measurement Confederation 27 1 2000.
【49】Schamel, AI; Differential amplifier provides accurate, safe oscilloscope measurements, Powerconversion & Intelligent Motion 22 9 Sep 1996.
【50】Sekel, Steve; Making oscilloscope measurements more accurate, less likely to shock. Research & Development (Barrington, Illinois) 37 11 Oct 1995.
【51】Budovsky, Ilya (Natl Measurement lab) Micropotentiometer-based system for low-voltage calibration of alternating voltage measurement standards, IEEE transactions on Instrumentation and Measurement v46 n2 Apr 1997.
【52】Winkler, W.; Halinka, A.; Witek, B. Frequency measurement algorithm for generator-transformer unit adaptive protection, Proceedings of the Universities Power Engineering Conference 3 Sep 1996.
【53】Caurllo, A.; Parvis, M.; Vallan, A.; Callegaro, L.; Automatic compensation system for impedance measurement, Conference Record-IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference, v1 May 21-23 2002.
【54】Helisto, Measurement uncertainty in the presence of low-frequency noise, IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement v50 n2 April 2001.
【55】Zhou, W.; Yu, J.; Li, J; Xuan, Z; Zhou, H.; A precision frequency standard comparison method and instrument, Proceedings of the Annual IEEE International Frequnecy Control Symposium Jun 7-9 2000.
【56】王国燕，罗红．基于虚拟仪器概念的多功能无纸记录仪的软件开发．电子技术应用，2000
【57】周泓，汪乐宇．虚拟仪器系统软件结构设计．计算机自动测量与控制，2000
【58】杨光友，张道德．一种基于分时操作系统原理的单片机控制系统．湖北工学院学报，2002，17(1)
【59】胡金初．分布式实时系统中任务调度问题的研究．计算机科学，2003，30(7)
【60】王远振，赵坚．任务优先级调度策略性能分析．空军工程大学学报，2003，4(3)
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【62】刘怀，胡继峰．实时系统的多任务调度．计算机工程，2002，28(3)
【63】张运萍，曾卫平．RTLinux实时任务调度机制的剖析及改造．计算机工程与设计， 2002，23(6)
【64】王克星，宋政湘．实时多任务操作系统的开发与应用．计算机工程与应用，2003，39(5)
【65】陈励军，张锐．一种基于虚拟示波器技术的数据采集系统．计算机测量与控制，2003，11(2)
【66】潘金龙，慈春令．利用输入输出测量值设计控制系统的新方法．控制与决策，2002，17(5)
【67】邵在平．程控放大技术在数据采集系统中的应用．测井技术，2003，27(z1)
【68】姬亚鹏，吴明光．大容量Flash存储器在无纸记录仪中的应用．化工自动化及仪表，2003，30(5)
【69】张景涛，王华．实时数据的压缩与存储．化工自动化及仪表，2003，30(3)
【70】邵惠鹤，冯晓东．一种改进的过程数据压缩算法及其性能分析．测控技术，2002，21(z1)
【71】蒋鹏，黄清波，孙优贤．化工过程历史数据压缩方法研究．浙江大学学报(工学版)，2002，36(3)
【72】陈光杰．数据压缩的一种快速实现技术．中国医疗器械杂志，2002，26(2)
【73】靳鸿，裴东兴，祖静．无损数据压缩在数据采集系统中的应用探讨．华北工学院学报，2003，24(1)
【74】董平，王粉花．数据压缩技术在工业过程中的应用．北京科技大学学报，2002，24(5)
【75】李德仁，王晏民．多函数分段拟合的曲线数据压缩．哈尔滨工业大学学报，2002，34(4)